例(1)基于TOP224Y的單片開關(guān)電源設計

1、現(xiàn)代電源變換技術(shù)主講人： 馬瑞卿 2007.10第四講:開關(guān)電源設計舉例一、一種基于一種基于TOP224YTOP224Y的單片開關(guān)電源設計的單片開關(guān)電源設計 二、PWMPWM型半橋式開關(guān)電源的設計型半橋式開關(guān)電源的設計 一、一種基于TOP224Y的單片開關(guān)電源設計 上世紀90年代美國PI（Power Integration Inc.）公司推出的TOPSwitch系列開關(guān)電源集成芯片解決了這些問題。該系列芯片將自啟動電路、功率MOSFET、控制電路以及保護電路集成在一起，極大地簡化了外圍電路的設計，降低了成本，增強了系統(tǒng)的可靠性，縮短了研發(fā)周期；同時提高了電源的效率，并使電源的體積和重量大為減小

2、。所以，該系列芯片一經(jīng)推出便得到廣泛的應用，展示了其良好的應用前景。 一、一種基于TOP224Y的單片開關(guān)電源設計1、TOP224Y的主要性能特點和工作原理1.1 性能特點性能特點 TOP224Y是TOPSwitch-系列中一款最常用的芯片，其封裝形式是TO-220，自帶小散熱片，是典型的三端集成器件，三個管腳分別為控制端C、源極S、漏極D，其內(nèi)部功率MOSFET器件的耐壓值高達700V，可設計成40W以上儀器儀表的多路隔離式內(nèi)置控制電源，TOPSwitch-系列產(chǎn)品具有以下顯著特點： 一、一種基于TOP224Y的單片開關(guān)電源設計1、TOP224Y的主要性能特點和工作原理1.1 性能特點性能特

3、點 1）將脈寬調(diào)制（PWM）控制系統(tǒng)的全部功能集成到三端芯片中，內(nèi)含脈寬調(diào)制器、功率開關(guān)場效應管（MOSFET）、自動偏置電路、保護電路、高壓啟動電路和環(huán)路補償電路，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，使用安全可靠。2）采用漏極開路輸出，并利用控制極反饋電流IC來線性調(diào)節(jié)占空比實現(xiàn)AC/DC變換的，即屬于電流控制型單片開關(guān)電源。3）輸入交流電壓和頻率的范圍極寬。作固定電壓輸入時，可選110V/115V/230V交流電，允許變化15%。在寬電壓范圍輸入時，適配85V265V交流電，但輸出功率峰值POM值要比前者降低40%。一、一種基于TOP2

4、24Y的單片開關(guān)電源設計1、TOP224Y的主要性能特點和工作原理1.1 性能特點性能特點4）它只有三個引出端，能以最簡方式構(gòu)成無工頻變壓器的單端反激式開關(guān)電源。開關(guān)頻率的典型值為100kHz，允許范圍是90k110kHz，占空比調(diào)節(jié)范圍是1.7%67%。5）外圍電路簡單，電磁干擾小，成本低廉。由于芯片本身功耗很低，電源效率可達80%左右，最高可達90%。一、一種基于TOP224Y的單片開關(guān)電源設計 1、TOP224Y的主要性能特點和工作原理1.2 工作原理 TOP224Y的內(nèi)部框圖如下圖所示，主要包括10個部分： 控制電壓源（由控制電壓UC向并聯(lián)調(diào)整器和門極驅(qū)動提供偏壓，而控制端電流IC則能

5、調(diào)節(jié)占空比）； 帶隙基準電壓源（內(nèi)部提供各種基準電壓）； 振蕩器（產(chǎn)生鋸齒波SAW、最大占空比信號Dmax和時鐘信號CLOCK）；并聯(lián)調(diào)整器/誤差放大器；一、一種基于TOP224Y的單片開關(guān)電源設計1、TOP224Y的主要性能特點和工作原理1.2 工作原理 脈寬調(diào)制器（通過改變控制端電流 的大小，連續(xù)調(diào)節(jié)脈沖占空比，實現(xiàn)脈寬調(diào)制并能濾掉開關(guān)噪聲電壓）； 門驅(qū)動級和輸出級（內(nèi)含耐壓為700V的功率開管MOSFET）； 過流保護電路（利用MOSFET。的漏源通態(tài)電阻RDS(ON) 來檢測過電流，當漏極電流 過大時令MOSFET關(guān)斷，起到過流保護作用）； CIDI一、一種基于TOP224Y的單片開關(guān)

6、電源設計1、TOP224Y的主要性能特點和工作原理1.2 工作原理 過熱保護及上電復位電路（當芯片結(jié)溫135時關(guān)斷輸出級）； 關(guān)斷/自動重啟動電路（當調(diào)節(jié)失控時，立即使芯片在低占空比下工作。當故障已排除，就自動重新啟動電源恢復工作）； 高壓電流源（提供偏流用）。TOP224Y的基本工作原理是利用反饋電流來調(diào)節(jié)占空比，達到穩(wěn)壓目的。如當輸出電壓VO減小時，經(jīng)過光耦反饋電路使得降低，增大， VO升高，最終使保持不變。 CICI一、一種基于TOP224Y的單片開關(guān)電源設計2設計實例設計實例 圖2是用TOP224Y芯片設計的單端反激式開關(guān)電源的原理圖。輸入為220V AC（15%），輸出為+15V D

7、C，功率為20W。 由于TOPSwitch芯片集成度高，設計工作主要是外圍電路的設計。外圍電路基本分為輸入整流濾波電路、鉗位保護電路、高頻變壓器、輸出整流濾波電路及反饋電路5部分。根據(jù)設計要求，按5個部分分別進行說明。 圖2 TOP224Y單片電源電路圖 一、一種基于TOP224Y的單片開關(guān)電源設計2 設計實例設計實例2.1 輸入整流濾波電路設計輸入整流濾波電路設計 輸入整流濾波電路包括交流濾波、整流、電容穩(wěn)壓三部分。 交流濾波采用技術(shù)成熟的型濾波電路，具體參數(shù)如下：去除差模干擾的 、 為0.1F/250V；去除共模干擾的 、 為10nF；濾波線圈 為1033mH,采取雙線并繞。整流電路選擇不

8、可控的整流橋，整流二極管的反向耐壓應大于400V，其承受的沖擊電流應大于額定整流電流的710倍。還應注意，選定的整流二極管的穩(wěn)態(tài)電流容量應為計算值的兩倍。 8C9C10C11C1L一、一種基于TOP224Y的單片開關(guān)電源設計2 設計實例設計實例2.1 輸入整流濾波電路設計輸入整流濾波電路設計 本設計中,選擇800V/3A的整流橋，或選用四個IN4007作整流二極管構(gòu)成整流橋。在當前的供電條件下，電容 的值可根據(jù)輸出功率按照1F /W來取值，再考慮余量后，取 =22F/400V。交流電壓輸入范圍為187V253V，即 =187v, =253v假設整流橋中二極管導通時間為 =3ms，可由下兩式可得

9、輸入直流電壓最小值和最大值為：式中 系統(tǒng)效率，可選擇80%； 交流電網(wǎng)頻率； 電源輸出功率。52minmin212)2(CtfPVVCLOACmaxmax2ACVVLfOP1C1CminACVmaxACVCt一、一種基于TOP224Y的單片開關(guān)電源設計 2 設計實例設計實例 2.2 變壓器設計變壓器設計1）選磁芯為滿足TOP224Y芯片100kHz的工作頻率，選用錳鋅鐵氧體材料的磁芯。通常，輸出功率和磁芯截面積有下面的經(jīng)驗公式：式中 變壓器磁芯的有效截面積（cm2）； 電源的輸出功率（w）； 變壓器的效率，一般取85%。 根據(jù)經(jīng)驗公式的計算，選擇EI-28鐵氧體磁芯，其有效截面積大于 的計算值

10、。 tOePA15. 0eAOPteA一、一種基于TOP224Y的單片開關(guān)電源設計2）計算最大占空比 )(minmaxDSORORVVVVDORVDSV式中: 一次級反射到初級的反射電壓，取135V； MOSFET的漏源極通態(tài)電壓，取10V。maxD一、一種基于TOP224Y的單片開關(guān)電源設計 3）計算變壓器的初級自感sOACPfPDVL2maxminsf式中: 開關(guān)頻率，取100 kHz； 電源效率，可取80%。PL一、一種基于TOP224Y的單片開關(guān)電源設計4）計算初、次級繞組匝數(shù) 對于AC220V固定輸入，次級繞組應取0.6匝/V，輸出電壓 =15V，故求得次級繞組匝數(shù)為： 匝（取整后）

11、 初級繞組匝數(shù)為： 匝（取整后） 反饋繞組匝數(shù)為： 匝（取整后）OV10) 7 . 0( 6 . 0OSVN867 . 0OORSPVVNN87 . 07 . 0OFBSFVVNNORVFBV初級反射電壓；取135V；反饋電壓，取為10.4V。一、一種基于TOP224Y的單片開關(guān)電源設計 5）計算氣隙長度PePrgLANL2gLreA式中： 氣隙長度(mm)常數(shù)，410-7H/m磁芯截面積(mm2)這里應注意：如果在中心柱開氣隙，則高度為Lg；為了達到同樣效果且簡單易行，在兩個外柱上應各墊1/2Lg高度的絕緣墊片。一、一種基于TOP224Y的單片開關(guān)電源設計 6）確定導線線徑 在100kHz開

12、關(guān)頻率下，銅導線的穿透深度是0.21mm，故所選導線的直徑要小于0.42mm。通過計算各繞組的平均電流（IAVG）、峰值電流（IP）、均方根電流（IRMS）可確定出所用導線的線徑。本設計中初級繞組和反饋繞組用線徑0.31mm的導線單股繞，次級繞組用線徑為0.35mm的導線雙股并繞。一、一種基于TOP224Y的單片開關(guān)電源設計2.3 箝位保護電路設計箝位保護電路設計 當TOP224Y的功率MOSFET管由導通變?yōu)榻刂箷r，在高頻變壓器T的初級繞組上會產(chǎn)生尖峰電壓和反射電壓，其中尖峰電壓是由于高頻變壓器存在漏感而形成，它與直流高壓和反射電壓疊加后很容易損壞MOSFET管。為此，必須設計箝位保護電路，

13、對尖峰電壓進行箝位和吸收。 圖2中VD1和VD2構(gòu)成的箝位電路可防止高壓對TOP224Y的損壞，VD1與VD2的選擇由反射電壓決定 。一般 取135V，VD1箝位電壓可由經(jīng)驗公式 得出，VD2的耐壓值應大于最大直流輸入電壓。 本設計中VD1采用反向擊穿電壓為200V的TVS(瞬態(tài)電壓抑制器) P6KE200，VD2采用反向耐壓為600V的超快恢復二極管BYV26C。 ORVORVORCLOVV5 . 1一、一種基于TOP224Y的單片開關(guān)電源設計2.4 輸出整流濾波電路的設計輸出整流濾波電路的設計 輸出整流濾波電路由整流二極管和濾波電容構(gòu)成。選用肖特基二極管作為整流二極管可以降低正向?qū)〒p耗,

14、此外，在降低反向恢復損耗以及消除輸出電壓中的紋波方面也有明顯的性能優(yōu)勢。選取的原則是根據(jù)最大反向峰值電壓。次級繞組的反向峰值電壓 為 : 式中: 次級繞組輸出電壓； 輸入交流電壓最大值 SMVPSACSSMNNVVVmax2SVmaxACV一、一種基于TOP224Y的單片開關(guān)電源設計 本設計中整流二極管選用MUR420,其反向電壓值VR=200V,工作電流ID=4A，滿足設計要求。 對輸出濾波電容，ESR（等效串聯(lián)阻抗）和紋波電流是它的兩個重要參數(shù)。當電容兩端電壓小于35V時，ESR只與電容的體積有關(guān),本設計選擇細高型的120F/35V低ESR電容。 輸出濾波電感采用3.3H的穿心電感，它是近

15、年來問世的一種超小型的非晶合金磁性材料，又叫磁珠電感。其外形呈管狀，引線穿心而過，其直流電阻非常小，一般為。它能主動抑制開關(guān)噪聲的產(chǎn)生。 為減少共模干擾，在輸出的地與高壓側(cè)的地之間接共模抑制電容 一、一種基于TOP224Y的單片開關(guān)電源設計2.5反饋回路的設計反饋回路的設計 本設計采用外部誤差放大器TL431加精密光耦PC817A構(gòu)成反饋回路，可使電壓調(diào)整率達到0.2%左右。電路利用輸出電壓與TL431構(gòu)成的誤差比較器，通過光耦PC817A線性關(guān)系的電流變化控制TOPSwitch的,從而改變PWM寬度，達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。流入TOPSwitch控制腳C的電流與占空比D成反比關(guān)系，如圖所示

16、DmaxDmin2mA6mAIC控制腳電流IC(mA)自動再啟動PWM斜率占空比D（）一、一種基于TOP224Y的單片開關(guān)電源設計 為使PWM線性調(diào)節(jié)，控制腳電流 應在26mA之間，而 是受光耦二極管電流 控制的，由于PC817A是線性光耦，二極管正向電流 在3mA左右時，三極管的集射電流 在4mA左右，而且集射電壓在很寬的范圍內(nèi)線性變化。因此一般選PC817A二極管正向電流 為3mA。 從TL431的技術(shù)參數(shù)可知，陰極工作電壓 的允許范圍為2.537V，陰極工作電流 在1100mA內(nèi)變化，一般選20mA即可，不但可穩(wěn)定工作，又能提供一部分死負載。 2.5反饋回路的設計反饋回路的設計CICIf

17、IfIceIfIKAUKAI一、一種基于TOP224Y的單片開關(guān)電源設計2.5反饋回路的設計反饋回路的設計對于圖2所示電路中的反饋部分，主要是確定R2、R3、R4和R5的值。根據(jù)TL431的特性知，VO、VREF、R4和R5之間存在以下關(guān)系:REFOVRRV)1(54式中: TL431參考端電壓，為2.5V；輸出電壓 先取R5=10K,由上式得R4=50K由圖電路知OVREFV32)(RIIVIRfKAff為光耦二極管正向壓降，由PC817手冊知，典型值為1.2V。取R2 470，由上式得R3 153 設計的實際取值為： R2 470， R3 150， R4 50K， R5 10K。fV一、一種基于TOP224Y的單片開關(guān)電源設計3 實驗結(jié)果及分析實驗結(jié)果及分析按照以上分析得到的參數(shù)設計了一款基于TOP224Y的反激式開關(guān)