基于TopswitchⅡ型开关芯片的开关电源设计

本文介绍了开关电源的基本原理，以及TopswitchⅡ型开关芯片的结构，探讨了基于该芯片小功率通用开关电源的设计过程中开关管的选型，主要元件参数的计算等问题。

引言

开关电源本身种类繁多，设计方法也复杂多样，因此研究一种简洁的方法去快速设计出所需要的通用型高效率，低廉价格的开关电源是很有必要的。

1开关电源工作原理

开关直流稳压电源是基于方波电压的平均值与其占空比成正比以及电感、电容电路的积分特性而形成的。其基本工作原理是，先对输入交流电压整流，从而形成脉动直流电压，经过DC-DC变换电路变压，再通过斩波电路形成了不同脉冲宽度的高频交流电，然后对其整流滤波输出需要电压电流波形。如果输出电压波形偏离所需值，便有电流或电压采样电路进行取样反馈，经过与比较电路的电压值进行参数比较，把差值信号放大，从而控制开关电路的脉冲频率f和占空比D，以此来控制输出端的导通状态。因此，输出端便可以得到所需的电压电流值。

如图1，将开关电源模块划分为以下几个部分。

根据电力系统的实际需要，通过对各个部分进行分析，便可以设计出相应的开关电源产品。


图1开关电源原理框图。

2 TopswitchⅡ简介

TOPSwitchⅡ是POWER公司生产的高集成的用于开关电源的专用芯片。它将功率开关管与其控制电路集成于一个芯片内，并具有自动复位，过热保护与过流保护等功能，其功能原理图如图2所示。当系统上电时，D引脚变为高电位，内部电流源开始工作且片内开关在0位，TOPSwitch给并接在C引脚的电容C5（见图2）充电。当C5端电压达到5.7 V后，自动重起电路关闭，片内开关跳到1位。C5一方面提供TOPSwitch内部控制电路的电源，使误差放大器开始工作，另一方面提供一反馈电流以控制开关管的占空比。MOSFET开关管的驱动信号由内部振荡电路、保护电路和误差放大电路共同产生。C5两端的电压愈高，MOSFET开关管驱动脉冲的占空比愈小。

3 TOPSwitch芯片的选型

在设计开关电源时，首先就要面临如何选择合适的开关电源控制芯片。在选择芯片的时候，要既能满足要求，又不因为选型造成资源的浪费。下面就介绍利用TopswitchⅡ系列开关电源的功率损耗（PD）与电源效率（η），输出功率（Po）关系曲线，快速选择芯片的型号，从而完成宽范围输入的通用开关电源的设计。


图2 TOPSwitch芯片内部原理图

3.1 PD，η，Po关系曲线

宽范围输入的交流电压为85~ 265 V，在这种条件下，TOP221~ TOP227系列单片开关电源的P D，η，Po关系曲线如下，见图3、图4.

图3宽范围输入且输出为5 V时PD ，η，Po关系曲线。


图4宽范围输入且输出为12 V时PD，η，Po关系曲线。

注意，这里假定交流输入电压最小值umin= 85 V，最高输入电压umax = 265 V.途中的横坐标代表输出功率，而15条虚线均为芯片功耗的等值线。

首先确定适用的曲线图，例如，当u= 85~ 265 V，Uo= + 5 V时，应该选择图3；当u= 220 V（即230 V-230 V×4.3%），Uo= + 12 V时，就应该选择图4；然后在横坐标上找出欲设计的功率输出点P o ；从输出功率点垂直向上移动，知道选中合适芯片所指的那条曲线。如果不适用，可以继续向上查找另一条实线；然后从等值线（虚线）上读出芯片的功耗PD，进而还可以求出芯片的结温（Tj）以确定散热片的大小。

例如，设计输出5 V， 30 W的通用开关电源时，就要选择图3.因为通用开关电源输入交流电压范围85~ 265 V.首先从横坐标上找到Po = 30 W的输出功率点，然后垂直上移，与T OP224的实线相交于一点，由纵坐标上查出该点的η= 71.2%，最后从经过这点的那条等值线上，查得PD = 2.5 W.这表明，选择TOP224就能输出30 W功率，并且预期的电源效率为71.2%，芯片功耗为2.5 W.如果觉得指标效率偏低，还可以继续往上查TOP225的实线。同理，选择TOP225也能输出30 W的功率，而预期的电源效率可以提高到75%，芯片功耗可以降低1.7 W.然后根据所得到的PD值，还可以进而完成散热片设计。

3.2等效输出功率的修正

PD ，η，Po关系曲线均对交流输入电压的最小值进行了限制，umin = 85 V.如果交流输入电压最小值不符合上述的要求，就会直接影响芯片的正确选择。此时必须从实际的交流输入电压u？ min最小值对应的功率Po折算成umin为规定值时的等效功率Po，才能使用上面的图。功率修正的方法如下：选择使用的特性曲线，然后根据已知的umin值查出折算系数K；将P o折算成umin为规定值时的等效功率Po，表达公式P o=Po / K；然后从图3、图4中选用适当的关系曲线。


图5宽范围输入时K与umin的关系。

例如设计12 V， 35 W的通用开关电源，已知umin= 90%×115 V = 103.5 V.从图5中查出K =1.15.将P o = 3.5 W， K = 1.15带入P o= P o / K中，计算出Po= 30.4 W；再根据Po的值，从图4中查出选择的最佳型号是T OP224芯片，此时η= 81.6%，PD= 2 W.如果选择了T OP223，则η降到73.5%，PD增加到5 W，显然不合适。如果选择T OP225型，就会造成资源浪费，因为它比TOP224的价格要高一些，而且适合输出40~ 60 W的更大的功率。

4主要元件参数计算

4.1变压器变比的设计

开关变压器的变比与开关变换电路的具体形式有关，正激、半桥变换电路中开关变压器的变比公式为：

式中，Uin，Uout分别为开关变压器的输入和输出电压；Nin，Nout分别为开关变压器初级和次级线圈的匝数。

当输入电压最低时，实际设计时应该按最低输入电压代入计算。

推挽电路的输出电压与输入电压之间的关系公式为：

Uout= 2DUin/n

因此得到关系式：n= 2D Uin / Uout= N 1 / N 2.

输入电压最低时，占空比D值最大，这时候仍然能保持设计要求的输出电压，所以上式的D应取最大值，Uin取最小值。