TOPSwitch_GX系列芯片的單端反激式開(kāi)關(guān)電源設計

摘要：采用PWM控制器和MOSFET功率開(kāi)關(guān)一體化的集成控制芯片是新一代開(kāi)關(guān)電源設計的重要特點(diǎn)和趨勢。 本文介紹了一種采用TOP245Y集成芯片實(shí)現的開(kāi)關(guān)電源。根據TOP245Y的特性給出了單端反激式開(kāi)關(guān)電源的工程設計方法，對外圍電路的設計進(jìn)行了分析和討論，并給出設計中注意事項。 敘詞：開(kāi)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(kāi)關(guān)電源被稱(chēng)為高效節能型電源，因為內部電路工作在高頻開(kāi)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(kāi)關(guān)電源的設計使用控制電路與功率MOSFET相分立的拓撲結構，但這種方案開(kāi)發(fā)周期長(cháng)，成本高，系統可靠性差。TOPSwitch系列智能開(kāi)關(guān)電源集成芯片具有高集成度、高性?xún)r(jià)比、最簡(jiǎn)外圍電路、最佳性能指標等優(yōu)點(diǎn)，從而提高了電源的效率，降低了成本，增強了系統的可靠性，因此被廣泛地應用在中小功率電源中。

2 TOPSwitch_GX器件介紹

TOPSwitch_GX系列是單片開(kāi)關(guān)電源第四代產(chǎn)品，他將高壓功率MOSFET、PWM控制、過(guò)電流保護、過(guò)熱保護、關(guān)斷/自動(dòng)重啟動(dòng)電路和其他電路高性?xún)r(jià)比地集成在

單片CMOS上，還具有從芯片外部設定電流極限值、軟啟動(dòng)、頻率抖動(dòng)、過(guò)電壓關(guān)斷、欠電壓保護、過(guò)熱滯后關(guān)斷等功能[1]。通過(guò)高頻變壓器使輸出端與電網(wǎng)完全隔離，真正實(shí)現了無(wú)工頻變壓器、隔離式開(kāi)關(guān)電源的單片集成化，使電源設計應用更加靈活、方便。

TOPSwitch_GX屬于漏極開(kāi)路輸出并且利用電流來(lái)線(xiàn)性調節占空比的AC/DC電源變換器，即電流控制型開(kāi)關(guān)電源。通過(guò)改變控制端電流IC的大小，能連續調節脈沖占空比，實(shí)現脈寬調制（PWM），它內部的脈寬調制器是一個(gè)電流反饋式的控制電路，利用反饋電流IC來(lái)調節占空比D,達到穩壓目的。當輸出電壓UO降低時(shí)，經(jīng)過(guò)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，脈寬調制（PWM）采用開(kāi)關(guān)頻率固定而占空比可調的調試方式。

3 電路設計

圖1 設計的電路原理圖

以TOPSwitch_GX中的TOP245Y為例介紹此類(lèi)控制芯片的應用。圖1是使用TOP245Y設計出的三路輸出＋15V/0.5A、－15V/0.5A、＋5V/2A，總輸出功率25W。由于TOPSwitch集成度高，設計工作主要針對外圍電路進(jìn)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]。設供電條件為85V~220VAC(15%)，工頻，若不加說(shuō)明，以下設計均以此條件為前提，根據各路輸出功率之和，選擇TOPSwitch芯片，可得到該型號芯片的各項參數。

3.1輸入整流濾波電路設計

輸入整流濾波電路包括輸入交流濾波、整流、電容穩壓三部分。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為安規電容，是為了去除差模干擾；L1為共模電感，采取雙線(xiàn)并繞，是為了去除共模干擾。整流電路一般選用滿(mǎn)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(kāi)關(guān)電源，C2的容量可按比例系數來(lái)選??；固定輸入時(shí)，比例系數變成。此外，輸入濾波電容的容量大小還決定著(zhù)直流高壓的數值。

3.2鉗位保護電路設計

每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內，TOPSwitch的關(guān)斷將導致變壓器漏感產(chǎn)生尖峰電壓。鉗位保護電路由VS和VD構成。其中，VS為瞬態(tài)電壓抑制器，它是一種新型的過(guò)電壓保護器件，在承受瞬態(tài)高能量電壓時(shí)，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定值，從而保證電子元器件不受損壞。VD稱(chēng)為阻塞二極管，一般選用快恢復二極管。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的耐壓值應大于整流后的最大電壓值。

3.3高頻變壓器設計

在單端反激式開(kāi)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，設計的主要參數包括初級電感量LP，變壓器變比 N，初、次級繞組匝數NP、NS和反饋繞組匝數 NF 以及各繞組導線(xiàn)線(xiàn)徑等。

PI公司設計開(kāi)發(fā)的開(kāi)關(guān)電源設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范產(chǎn)生具體能量轉換方案。其中包括三個(gè)設計軟件分別是：PI Expert、PI Transformers Designer、PIXLs Designer[4]。根據輸入的電壓、輸出功率及芯片型號，PI Expert軟件可完成電路設計的基本結構。PI Transformers Designer軟件是用來(lái)設計變壓器的繞線(xiàn)結構、各繞組匝數及線(xiàn)徑等有關(guān)變壓器的各參數，只需把用PI Expert軟件設計保存的文件在PI Transformers Designer中打開(kāi)即可。另外，也可以用PIXLs Designer軟件來(lái)設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計過(guò)程中的一些性能參數及變壓器設計的一些中間變量值。但是，在利用這類(lèi)軟件設計高頻變壓器之前，必須對變壓器的設計過(guò)程及有關(guān)的一些名詞要有所了解，這樣才能設計出高效率高性能的變壓器。