單片開(kāi)關(guān)電源的快速設計法（單片開(kāi)關(guān)電源技術(shù)講座之二）
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摘要：單片開(kāi)關(guān)電源是國際上90年代才開(kāi)始流行的新型開(kāi)關(guān)電源芯片。本文闡述其快速設計方法。
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/233501.htm關(guān)鍵詞：單片開(kāi)關(guān)電源 快速設計 TOPSwith-Ⅱ
在設計開(kāi)關(guān)電源時(shí)，首先面臨的問(wèn)題是如何選擇合適的單片開(kāi)關(guān)電源芯片，既能滿(mǎn)足要求，又不因選型不當而造成資源的浪費。然而，
這并非易事。原因之一是單片開(kāi)關(guān)電源現已形成四大系列、近70種型號，即使采用同一種封裝的不同型號，其輸出功率也各不相同；原因之二是選擇芯片時(shí)，不僅要知道設計的輸出功率PO，還必須預先確定開(kāi)關(guān)電源的效率η和芯片的功率損耗PD，而后兩個(gè)特征參數只有在設計安裝好開(kāi)關(guān)電源時(shí)才能測出來(lái)，在設計之前它們是未知的。
下面重點(diǎn)介紹利用TOPSwitch－II系列單片開(kāi)關(guān)電源的功率損耗（PD）與電源效率（η）、輸出功率（PO）關(guān)系曲線(xiàn)，快速選擇芯片的方法，可圓滿(mǎn)解決上述難題。在設計前，只要根據預期的輸出功率和電源效率值，即可從曲線(xiàn)上查出最合適的單片開(kāi)關(guān)電源型號及功率損耗值，這不僅簡(jiǎn)化了設計，還為選擇散熱器提供了依據。
1 TOPSwitch－II的PD與η、PO關(guān)系曲線(xiàn)
TOPSwitch－II系列的交流輸入電壓分寬范圍輸入（亦稱(chēng)通用輸入），固定輸入（也叫單一電壓輸入）兩種情況。
二者的交流輸入電壓分別為Ui=85V～265V，230V±15％。
1．1 寬范圍輸入時(shí)PD與η，PO的關(guān)系曲線(xiàn)
TOP221～TOP227系列單片開(kāi)關(guān)電源在寬范圍輸入（85V～265V）的條件下，當UO=＋5V或者＋12V時(shí)，PD與η、PO的關(guān)系曲線(xiàn)分別如圖1、圖2所示。這里假定交流輸入電壓最小值Uimin=85V，最高交流輸入電壓Uimax=265V。圖中的橫坐標代表輸出功率PO，縱坐標表示電源效率η。所畫(huà)出的7條實(shí)線(xiàn)分別對應于TOP221～TOP227的電源效率，而15條虛線(xiàn)均為芯片功耗的等值線(xiàn)（下同）。
1．2 固定輸入時(shí)PD與η、PO的關(guān)系曲線(xiàn)
TOP221～TOP227系列在固定交流輸入（230V±15％）條件下，當UO=＋5V或＋12V時(shí)，PD與η、PO的關(guān)系曲線(xiàn)分別如圖3、圖4所示。
這兩個(gè)曲線(xiàn)族對于208V、220V、240V也同樣適用?，F假定Uimin=195V,Uimax=265V。
2 正確選擇TOPSwitch－II芯片的方法
利用上述關(guān)系曲線(xiàn)迅速確定TOPSwitch－II芯片型號的設計程序如下：
（1）首先確定哪一幅曲線(xiàn)圖適用。例如，當Ui=85V～265V，UO=＋5V時(shí)，應選擇圖1。而當Ui=220V(即230V－230V×4.3％)，UO=＋12V時(shí)，就只能選圖4；
（2）然后在橫坐標上找出欲設計的輸出功率點(diǎn)位置（PO）；
（3）從輸出功率點(diǎn)垂直向上移動(dòng)，直到選中合適芯片所指的那條實(shí)曲線(xiàn)。如不適用，可繼續向上查找另一條實(shí)線(xiàn)；
（4）再從等值線(xiàn)（虛線(xiàn)）上讀出芯片的功耗PD。進(jìn)而還可求出芯片的結溫（Tj）以確定散熱片的大??；
（5）最后轉入電路設計階段，包括高頻變壓器設計，外圍元器件參數的選擇等。
下面將通過(guò)3個(gè)典型設計實(shí)例加以說(shuō)明。
例1：設計輸出為5V、300W的通用開(kāi)關(guān)電源
通用開(kāi)關(guān)電源就意味著(zhù)交流輸入電壓范圍是85V～265V。又因UO=＋5V，故必須查圖1所示的曲線(xiàn)。首先從橫坐標上找到PO=30W的輸出功率點(diǎn)，然后垂直上移與TOP224的實(shí)線(xiàn)相交于一點(diǎn)，由縱坐標上查出該點(diǎn)的η=71.2％，最后從經(jīng)過(guò)這點(diǎn)的那條等值線(xiàn)上查得PD=2.5W。這表明，選擇TOP224就能輸出30W功率，并且預期的電源效率為71.2％,芯片功耗為2.5W。
若覺(jué)得η=71.2％的效率指標偏低，還可繼續往上查找TOP225的實(shí)線(xiàn)。同理，選擇TOP225也能輸出30W功率，而預期的電源效率將提高到75％，芯片功耗降至1.7W。
根據所得到的PD值，進(jìn)而可完成散熱片設計。這是因為在設計前對所用芯片功耗做出的估計是完全可信的。
例2：設計交流固定輸入230V±15％，輸出為直流12V、30W開(kāi)關(guān)電源。
根據已知條件，從圖4中可以查出，TOP223是最佳選擇，此時(shí)PO=30W，η=85.2％，PD=0.8W。
例3：計算TOPswitch－II的結溫
這里講的結溫是指管芯溫度Tj。假定已知從結到器件表面的熱阻為RθA(它包括TOPSwitch－II管芯到外殼的熱阻Rθ1和外殼到散熱片的熱阻Rθ2)、環(huán)境溫度為T(mén)A。再從相關(guān)曲線(xiàn)圖中查出PD值，即可用下式求出芯片的結溫：
Tj=PD·RθA＋TA (1)
舉例說(shuō)明，TOP225的設計功耗為1.7W，RθA=20℃/W，TA=40℃，代入式（1）中得到Tj=74℃。設計時(shí)必須保證，在最高環(huán)境溫度TAM下，芯片結溫Tj低于100℃，才能使開(kāi)關(guān)電源長(cháng)期正常工作。
3 根據輸出功率比來(lái)修正等效輸出功率等參數
3．1 修正方法
如上所述，PD與η，PO的關(guān)系曲線(xiàn)均對交流輸入電壓最小值作了限制。圖1和圖2規定的Uimin=85V，而圖3與圖4規定Uimin=195V（即230V－230V×15％）。若交流輸入電壓最小值不符合上述規定，就會(huì )直接影響芯片的正確選擇。此時(shí)須將實(shí)際的交流輸入電壓最小值Uimin′所對應的輸入功率PO′，折算成Uimin為規定值時(shí)的等效功率PO，才能使用上述4圖。折算系數亦稱(chēng)輸出功率比（PO′/PO）用K表示。TOPSwitch－II在寬范圍輸入、固定輸入兩種情況下，K與U′min的特性曲線(xiàn)分別如圖5、圖6中的實(shí)線(xiàn)所示。需要說(shuō)明幾點(diǎn)：
（1）圖5和圖6的額定交流輸入電壓最小值Uimin依次為85V，195V，圖中的橫坐標僅標出Ui在低端的電壓范圍。
（2）當Uimin′>Uimin時(shí)K>1，即PO′>PO，這表明原來(lái)選中的芯片此時(shí)已具有更大的可用功率，必要時(shí)可選輸出功率略低的芯片。當Uimin′（3）設初級電壓為UOR，其典型值為135V。但在Uimin′85V時(shí)，受TOPSwitch－II調節占空比能力的限制，UOR會(huì )按線(xiàn)性規律降低UOR′。此時(shí)折算系數K=UOR′/UOR1。圖5和圖6中的虛線(xiàn)表示UOR′/UOR與Uimin′的特性曲線(xiàn)，利用它可以修正初級感應電壓值。
現將對輸出功率進(jìn)行修正的工作程序歸納如下：
（1）首先從圖5、圖6中選擇適用的特性曲線(xiàn)，然后根據已知的Uimin′值查出折算系數K。
?。?）將PO′折算成Uimin為規定值時(shí)的等效功率PO，有公式
PO=PO′/K （2）
（3）最后從圖1～圖4中選取適用的關(guān)系曲線(xiàn)，并根據PO值查出合適的芯片型號以及η、PD參數值。
下面通過(guò)一個(gè)典型的實(shí)例來(lái)說(shuō)明修正方法。
例4：設計12V，35W的通用開(kāi)關(guān)電源
已知Uimin=85V，假定Uimin′=90％×115V=103.5V。從圖5中查出K=1.15。將PO′=35W、K=1.15一并代入式（2）中，計算出PO=30.4W。再根據PO值，從圖2上查出最佳選擇應是TOP224型芯片，此時(shí)η=81.6％，PD=2W。
若選TOP223，則η降至73.5％,PD增加到5W，顯然不合適。倘若選TOP225型，就會(huì )造成資源浪費，因為它比TOP224的價(jià)格要高一些，且適合輸出40W～60W的更大功率。
3．2 相關(guān)參數的修正及選擇
（1）修正初級電感量
在使用TOPSwitch－II系列設計開(kāi)關(guān)電源時(shí)，高頻變壓器以及相關(guān)元件參數的典型情況見(jiàn)表1，這些數值可做為初選值。當Uimin′Uimin時(shí)，由于電源效率和功率損耗均發(fā)生了變化，因此還需要對初級電感量LP進(jìn)行修正。有公式
LP′=KLP （3）
表1 高頻變壓器及其相關(guān)元件參數的典型值
| 參 數 | TOP221 | TOP222 | TOP223 | TOP224 | TOP225 | TOP226 | TOP227 |
| 高頻變壓器初級電感LP（μH） | 8650 | 4400 | 2200 | 1475 | 1100 | 880 | 15 |
| 高頻變壓器初級泄漏電感 LPO（μH） | 175 | 90 | 45 | 30 | 22 | 18 | 15 |
| 次級開(kāi)路時(shí)高頻變壓的諧振頻率fo（kHz） | 400 | 450 | 500 | 550 | 600 | 650 | 700 |
| 初級級圈電阻RP（mΩ） | 5000 | 1800 | 650 | 350 | 250 | 175 | 140 |
| 次級級圈電阻Rs（mΩ） | 20 | 12 | 7 | 5 | 4 | 3.5 | 3 |
| 輸出濾波電感的直流電阻RL1（mΩ） | 40 | 32 | 25 | 20 | 16 | 13 | 10 |
| 共模扼流圈的直流電阻RL2(mΩ) | 400 | 370 | 333 | 300 | 267 | 233 | 200 |
查表1可知，使用TOP224時(shí)，LP=1475μH。當K=1.15時(shí)，LP′=1.15×1475=1696μH。
表2 光耦合器參數隨Uimin′的變化
| 最低交流輸入電壓Uimin(V) | 85 | 195 |
| LED的工作電流IF（mA） | 3.5 | 5.0 |
| 光敏三極管的發(fā)射極電流IE（mA) | 3.5 | 5.0 |
（2）對其他參數的影響
當Uimin的規定值發(fā)生變化時(shí)，TOPSwitch－II的占空比亦隨之改變，進(jìn)而影響光耦合器中的LED工作電流IF、光敏三極管發(fā)射極電流IE也產(chǎn)生變化。此時(shí)應根據表2對IF、IE進(jìn)行重新調整。
TOPSwitch－II獨立于Ui、PO的電源參數值，見(jiàn)表3。這些參數一般不受Uimin變化的影響。
表3獨立于Ui、PO的電源參數值
| 獨立參數 | 典型值 |
| 開(kāi)關(guān)頻率f(kHz) | 100 |
| 輸入保護電路的箝位電壓UB(V) | 200 |
| 輸出級肖特基整流二極管的正向壓降UF(V) | 0.4 |
| 初始偏置電壓UFB(V) | 16 |
（3）輸入濾波電容的選擇
輸入濾波電容器C1的容量與電源效率、輸出功率密切相關(guān)。對于寬范圍輸入的開(kāi)關(guān)電源，C1的容量取μF作單位時(shí)，可按比例系數3μF/W，例如，當PO=30W時(shí)，C1=（3μF/W）×30W=90μF，以此類(lèi)推。在固定輸入時(shí)，比例系數變成1μF/W，上例中的C1就變在30μF。在設計開(kāi)關(guān)電源時(shí)還需注意C1的容量誤差要盡量小，以免影響開(kāi)關(guān)電源的性能。當C1的容量太小時(shí)，會(huì )降低TOPSwitch－II的可用功率。上例中，若將寬范圍輸入時(shí)的C1容量由30μF改成20μF，則輸出功率會(huì )降低15％；當C120μF時(shí)，會(huì )造成可用功率更顯著(zhù)地下降。
此外，C1的容量大小還決定著(zhù)直流高壓UI的數值。圖1與圖2實(shí)際上是在UI=105V情況下繪制的，而圖3和圖4是在UI=256V情況下獲得的。這充分體現了C1對U1的影響。
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