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TOPSwitch電源技術是近年來迅速發展的一種開關電源技術，因其在體積、效率和可靠性等方面的優勢，目前在通信、計算機和家用電器等眾多領域中得到了非常廣泛的應用。但由于前幾代TOPSwitch遍存在輸出功率受限的不足之處，使其在要求有較大輸出功率的電源應用中受到很大的限制。針對這種情況， Power Integrations公司推出了TOPSwitch的第四代單芯片高壓IC系列： TOPSwitch-GX系列。 TOPSwitch-GX單芯片高壓IC 系列將高壓功率MOSFET、PWM控制、故障保護和其他控制電路等高性價比地集成在單片CMOS芯片上。其內建特性包括用于在啟動時消除過沖和降低元件應力的軟啟動、減小EMI 的頻率抖動、欠壓保護和過壓保護、可編程限流等優異特性。 與TOPSwitch-GX系列其它產品一樣，因為其采用了單芯片控制的設計理念，而且TOP250y只有很少的三四個外圍元器件，這就使得相同設計的電源尺寸更小、待機效率更高、系統成本更低，并保持了用途廣泛和設計簡單的特色，使電源設計能為290W以下的應用創造出高性價比的方案。 本文具體分析了TOP250y開關電源的工作原理，并詳細介紹了TOP250y型芯片在大功率開關電源應用中關鍵電路參數的設計方法，并給出了設計實例。該實例中電源最大輸出功率達到了288 W，對單芯片TOPSwitch在大功率開關電源領域內的應用研究具有指導意義。 TOP250Y開關電源的基本原理 TOP250y型芯片有六個管腳：D、S、C、F、X、L，簡單的TO220-7C 封裝外形簡圖如圖1所示。 圖1 TOP250y封裝外形圖 圖1各管腳功能如下： 漏極管腳(D)：高壓功率MOSFET漏極輸出。控制管腳(C)：用于調節占空比的誤差放大器與電流輸入腳。 源極管腳(S)：將其連接至輸出MOSFET源極時可得到高壓功率回饋。 電壓檢測管腳(L)：具有欠壓保護、過壓保護、減少Dmax的線性前饋及遠程開關等功能。外部限流管腳(X)：用于外部電流限制值設置的輸入腳。 頻率管腳(F)：用于選擇開關頻率的輸入腳。由TOP250y構成288W(24V/12A)大功率高效開關電源的電路如圖2所示。 圖2 由TOP250y構成的開關電源電路 其交流輸入電壓范圍是交流176～264V ，滿載時電源效率可達86%。交流電壓UI 依次經過電磁干擾(EMI) 濾波器(C1，L1)、輸入整流濾波器(V1，C2) 獲得直流高壓。直流高壓經過R1 后接N1 的L端，為TOP250y提供電壓前饋信號，實現過壓保護、欠壓保護以及使電源隨輸入電壓改變Dmax功能。這里將N1的X 腳接地，使TOP250y 工作在最大占空比，因此，即使在寬范圍輸入時，電源也能達到最大連續輸出功率PoM=290W。將N1的F腳接地，使TOP250y工作在較高的132kHz頻率上，采用這種設計方法允許高頻變壓器選用尺寸較小的磁芯，并防止出現磁飽和現象。 次級電壓經過V5，C8～C11，L2和C12整流濾波后，獲得+ 24V/12A的穩壓輸出。C8～C11濾除紋波電壓，L2和C12則用來消除開關噪聲。該電源采用一個簡單的串聯穩壓管方式的光耦反饋電路。E1為4N25型線性光耦合器。V7和V8分別采用1N963 和1N962 型穩壓管。其穩壓原理如下：當由于某種原因致使輸出電壓Uo↑，所產生的誤差電壓使E1中LED的IF↑，光耦接收管的IE↑，使得N1 控制端電流Ic↑，而占空比D ↓，導致Uo↓，從而實現了穩壓目的。反之， Uo↓→I F↓→I E↓→Ic↓→D↑→Uo↑，同樣起到穩壓作用。 當開關電源空載時，TOP250y能采用跳過周期的方式極大地降低最大輸出占空比，使得Dmax6和C14為次級提供軟啟動，C14為軟啟動電容，能消除剛接通電源時產生的電壓過沖現象，使反饋繞組提供給N1的C腳電壓先于輸出電壓，這樣就保證了即使在低輸入電壓和滿載情況下，也能使輸出電壓在啟動時正常調整。電阻R5和電容C13構成控制環路補償電路。 反饋繞組電壓經過V4和C5整流濾波后，產生12 V的反饋電壓，經過E1 給TOP250y 的控制端提供偏壓。C4 是旁路電容，它還與R3 和C3 構成控制環路的補償電路。 齊納箝位管V2、超快速二極管V3、電阻R2和電容C6組成尖峰吸收電路。用于吸收在TOP250y關斷時由高頻變壓器漏感產生的尖峰電壓， 對TOP250y中MOSFET管的漏極起到保護作用。 由于V2上并聯R2和C6，在正常工作時，R2幾乎承擔了所有的泄放能量，而在啟動或超載的情況下，V2又限制了尖峰電壓不超過N1中MOSFET管的安全電壓(700V)。 關鍵電路設計與實例 舉例電路參數： 交流UI=176～264V， f=132kHz， D =0.5， Uo=24V， Io=12A， Po=288W，紋波≤1%。 輸入濾波電容的設計 考慮市電掉一個脈沖的時間是10 ms ，取電源輸出的保持時間td=10ms ，電容C2 上的直流電壓從250V(176V×1.414)下降到220 V后，輸出才開始下降。故 取標準值C2 = 470μF 變壓器磁芯的選擇 實際功率容量乘積計算： PQ3535的功率容量乘積為1.72 ，為0.66的3倍，如果按50%的余量計算，在132kHz開關頻率工作時，PQ3535的輸出功率可達375W ，因此設計值為288W是充分留有余量的。 變壓器的各電參數設計 a.計算初級繞組的電感量 b.計算變壓器初級繞組匝數 取初級匝數約為36 匝。 c. 計算變壓器次級繞組匝數 取次級匝數約為5 匝，并在繞制工藝上采用銅箔繞制，這樣既滿足了大電流輸出，又解決了趨膚效應問題。 d. 計算變壓器初級繞組上的最大峰值電流 TOP250Y的標稱電流為6A，所以設計是完全合理的。 e. 計算變壓器磁芯的氣隙長度 取Lg=0.12cm，在加工工藝上采用磨制氣隙工藝，以保證加工的可靠性和可行性。 功率二極管的設計 UDR≥(5～6)Uo，在120～144V之間取值。 本例中V4 實際選用超快速二極管MUR3020(15A/200V)，完全符合設計要求。 輸出濾波電容的設計 輸出濾波電容等效ESR 可用下列經驗公式計算設計 依據上述計算參數及耐壓要求，查手冊實際選用四只35V/1000μF電容并聯，其等效ESR 約為0.017Ω，滿足設計要求。 尖峰吸收電路和環路控制頻率補償電路的設計 尖峰吸收電路和環路控制頻率補償電路的設計也可由相應公式得到，但由于電路元器件參數差別和加工工藝的影響，上述兩種電路參數的設計還需要大量實驗數據驗證，因此僅給出本電源設計的參數，這里就不再贅述了。 試驗結果 通過用LeCroy公司生產的電源專用示波器測試，得到本電源設計的主要試驗結果如下： Po = 290.402W；空載功耗≤1.48W； 線性調整率≤±0.97%；負載調整率≤±1.74%； 紋波≤0.95%；效率≥86.1%。 結 語 根據上述理論， 成功設計了一種新一代TOPSwitch控制的大功率開關電源。不僅證明了設計方法的正確，而且整個電路設計簡潔，電源可靠性也得到很大提高。隨著對TOPSwitch的進一步研究，由新一代TOPSwitch控制的大功率開關電源必將得到更加廣泛的應用。 |
