TOPSwitch_GX系列芯片的單端反激式開關(guān)電源設(shè)計

摘要：采用PWM控制器和MOSFET功率開關(guān)一體化的集成控制芯片是新一代開關(guān)電源設(shè)計的重要特點和趨勢。 本文介紹了一種采用TOP245Y集成芯片實現(xiàn)的開關(guān)電源。根據(jù)TOP245Y的特性給出了單端反激式開關(guān)電源的工程設(shè)計方法，對外圍電路的設(shè)計進行了分析和討論，并給出設(shè)計中注意事項。 敘詞：開關(guān)電源；單端反激；TOPSwitch_GX；PWM Abstract： the integration controlling chip, which integrated PWM controller and MOSFET power,is the important features and trends of the new generation Switch Mode Power Supply (SMPS). This paper introduced a kind of method to implement the SMPS using TOP245Y. According to the TOP245Y characteristics, the paper provides a engineering method to design of single-flyback switch mode power supply circuit. It analyzes and discusses the external circuit, and gives attention to the design matters Keyword：Switch Mode Power Supply, Single flyback, Topstitch_GX,PWM
1 引言

開關(guān)電源被稱為高效節(jié)能型電源，因為內(nèi)部電路工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，自身消耗的能量很低，電源效率可達80%左右。而通常開關(guān)電源的設(shè)計使用控制電路與功率MOSFET相分立的拓撲結(jié)構(gòu)，但這種方案開發(fā)周期長，成本高，系統(tǒng)可靠性差。TOPSwitch系列智能開關(guān)電源集成芯片具有高集成度、高性價比、最簡外圍電路、最佳性能指標等優(yōu)點，從而提高了電源的效率，降低了成本，增強了系統(tǒng)的可靠性，因此被廣泛地應(yīng)用在中小功率電源中。

2 TOPSwitch_GX器件介紹

TOPSwitch_GX系列是單片開關(guān)電源第四代產(chǎn)品，他將高壓功率MOSFET、PWM控制、過電流保護、過熱保護、關(guān)斷/自動重啟動電路和其他電路高性價比地集成在

單片CMOS上，還具有從芯片外部設(shè)定電流極限值、軟啟動、頻率抖動、過電壓關(guān)斷、欠電壓保護、過熱滯后關(guān)斷等功能[1]。通過高頻變壓器使輸出端與電網(wǎng)完全隔離，真正實現(xiàn)了無工頻變壓器、隔離式開關(guān)電源的單片集成化，使電源設(shè)計應(yīng)用更加靈活、方便。

TOPSwitch_GX屬于漏極開路輸出并且利用電流來線性調(diào)節(jié)占空比的AC/DC電源變換器，即電流控制型開關(guān)電源。通過改變控制端電流IC的大小，能連續(xù)調(diào)節(jié)脈沖占空比，實現(xiàn)脈寬調(diào)制（PWM），它內(nèi)部的脈寬調(diào)制器是一個電流反饋式的控制電路，利用反饋電流IC來調(diào)節(jié)占空比D,達到穩(wěn)壓目的。當輸出電壓UO降低時，經(jīng)過光耦反饋電路使得IC減小，占空比增大，輸出電壓隨之升高，最終使UO維持不變。其中，脈寬調(diào)制（PWM）采用開關(guān)頻率固定而占空比可調(diào)的調(diào)試方式。

3 電路設(shè)計

圖1 設(shè)計的電路原理圖

以TOPSwitch_GX中的TOP245Y為例介紹此類控制芯片的應(yīng)用。圖1是使用TOP245Y設(shè)計出的三路輸出＋15V/0.5A、－15V/0.5A、＋5V/2A，總輸出功率25W。由于TOPSwitch集成度高，設(shè)計工作主要針對外圍電路進行，外圍電路可分為輸入整流濾波電路、鉗位保護電路、變壓器、輸出整流濾波電路及反饋電路5部分[3]。設(shè)供電條件為85V~220VAC(15%)，工頻，若不加說明，以下設(shè)計均以此條件為前提，根據(jù)各路輸出功率之和，選擇TOPSwitch芯片，可得到該型號芯片的各項參數(shù)。

3.1輸入整流濾波電路設(shè)計

輸入整流濾波電路包括輸入交流濾波、整流、電容穩(wěn)壓三部分。交流濾波主要是濾除交流輸入端的共模干擾和差模干擾，其中C1為安規(guī)電容，是為了去除差模干擾；L1為共模電感，采取雙線并繞，是為了去除共模干擾。整流電路一般選用滿足電流閾值的整流橋。輸入濾波電容C2的容量與電源效率、輸出功率密切相關(guān)。一般對于寬范圍輸入的開關(guān)電源，C2的容量可按比例系數(shù)來選取；固定輸入時，比例系數(shù)變成。此外，輸入濾波電容的容量大小還決定著直流高壓的數(shù)值。

3.2鉗位保護電路設(shè)計

每個開關(guān)周期內(nèi)，TOPSwitch的關(guān)斷將導(dǎo)致變壓器漏感產(chǎn)生尖峰電壓。鉗位保護電路由VS和VD構(gòu)成。其中，VS為瞬態(tài)電壓抑制器，它是一種新型的過電壓保護器件，在承受瞬態(tài)高能量電壓時，能迅速反向擊穿，由高阻態(tài)變成低阻態(tài)，并把干擾脈沖鉗位于規(guī)定值，從而保證電子元器件不受損壞。VD稱為阻塞二極管，一般選用快恢復(fù)二極管。VS和VD的選擇由反射電壓VOR決定，VOR推薦值為135V。VS的鉗位電壓V 由經(jīng)驗公式V=1.5VOR得出；VD的耐壓值應(yīng)大于整流后的最大電壓值。

3.3高頻變壓器設(shè)計

在單端反激式開關(guān)電源中，高頻變壓器既是儲能元件又是傳遞能量的主體，設(shè)計的主要參數(shù)包括初級電感量LP，變壓器變比 N，初、次級繞組匝數(shù)NP、NS和反饋繞組匝數(shù) NF 以及各繞組導(dǎo)線線徑等。

PI公司設(shè)計開發(fā)的開關(guān)電源設(shè)計軟件是一種交互式軟件，可以針對相關(guān)的硬件芯片、按照使用者提出的電源規(guī)范產(chǎn)生具體能量轉(zhuǎn)換方案。其中包括三個設(shè)計軟件分別是：PI Expert、PI Transformers Designer、PIXLs Designer[4]。根據(jù)輸入的電壓、輸出功率及芯片型號，PI Expert軟件可完成電路設(shè)計的基本結(jié)構(gòu)。PI Transformers Designer軟件是用來設(shè)計變壓器的繞線結(jié)構(gòu)、各繞組匝數(shù)及線徑等有關(guān)變壓器的各參數(shù)，只需把用PI Expert軟件設(shè)計保存的文件在PI Transformers Designer中打開即可。另外，也可以用PIXLs Designer軟件來設(shè)計成電子表格形式的，用此軟件必需要首先選定TOPSwitch型號和變壓器磁心型號，利用此軟件可以比較清楚地知道電路設(shè)計過程中的一些性能參數(shù)及變壓器設(shè)計的一些中間變量值。但是，在利用這類軟件設(shè)計高頻變壓器之前，必須對變壓器的設(shè)計過程及有關(guān)的一些名詞要有所了解，這樣才能設(shè)計出高效率高性能的變壓器。