应用高频单片开关芯片设计多组开关稳压电源

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1、  性能优异为便携式设备选择拓宽了新途径

 

多年来，为设计多组开关稳压电源选择性能价格比较高的电源控制芯片，一直是制造业心想事成的问题，这是因为电源控制芯片不是引脚多调试繁多，就是引脚少了功能不理想。

 

而TOPSwitchlI单片开关电源是美国PI(Power Integration)公司较新推出的高频开关电源芯片，它能将开关电源所必需的具有高压N沟道功率MOS场效应管、电压型PWM控制器、100kHz高频振荡器、高压启动偏置电路、基准电压、用于环路补偿的并联偏置调整器、误差放大器和故障保护功能块等全部集成在一起，是属引脚少(仅为3线)功能强向的高频开关电源芯片。

 

它可广泛用于仪器仪表、笔记本电脑、VCD和DVD、电池充电器、功率放大器等领域，用它构成的开关电源具有重量轻、体积小、效率高、稳压范围宽等优点，在电子电气、控制、计算机等许多领域的电子设备中得到了广泛的使用。为此本文将介绍应用TOP222Y高频单片开关电源控制芯片为核心的多组开关稳压电源设计方案。

 

2、多组(5组)开关电源设计方案

 

2.1以TOP222Y高频单片开关电源控制芯片为核心的电源组成图，见图1所示。TOP222Y为DC/DC变换器，其芯片引脚3、2、1分别与高频变压器输入及初级、输出次级及地、输出反馈等相连接。

 

 

2.2电源电路拓扑为单端反激式

 

该电源电路拓扑为单端反激式，反激式则是指当功率开关管MOSFET导通时，就将电能储存在高频变压器的初级线圈上；当MOSFET关断时，向次级输出电能。由于开关频率高达100KHz，使得高频变压器能够快速储存、释放能量，经高频整流滤波后即可获得连续输出。

 

2.3电源单级滤波器作用

 

220V交流进线端接入电磁滤波器(EMl)，为了减少体积和降低成本，单片开关电源一般采用简易式单级滤波器。L1用来滤除共模干扰，C1、C2用来滤除串模干扰。电源滤波器的作用：一方面是滤除由电网传来的杂波电压，净化输入电源，另一方面也阻止高频开关电源的振荡电压窜入电网干扰其它电器。

 

2.4整流与DC/DC变换器

 

市电经整流和电容滤波后，变成308V的直流电压供给TOP222Y器件，TOP222Y构成DC/DC变换器，它将输入的直流高压变成脉宽可调的高频脉冲电压，经高频变压器降压后再进行半波整流和滤波，变成所需要的直流电压输出。

 

2.5瞬态电压抑制电路

 

阻塞二极管D6与瞬态电压抑制器D5组成吸收电路，吸收功率器件在关断过程中由于变压器漏感产生的尖峰电压，当TOP222Y功率管导通时初极变压器的电压极性为上端为正，下端为负，使D6截止，钳位电路不起作用。在MOSFET截止的瞬间，初极变压器变成下端为正，上端为负，此时D6导通，尖峰电压就被D5吸收掉。

 

2.6关于高频变压器与反馈稳压电路

 

高频变压器的次级有5个绕组，其中的13.2V/300mA绕组V1为主绕组控制TOP222Y器件的脉宽，即这一组输出电压为PWM稳压，由并联可编程稳压器TL431和光电耦合器PC817及分压电阻R4、R5完成取样反馈工作。当输出们电压升高时经R4、R5分压后得到取样电压与TL431中的带隙基准电压进行比较，使TL431阴极电位下降，使流过光电二极管工作电流If增大，再通过光耦PC817使控制端电流Ic增大，TOP222Y的输出占空比减小，使们电压下降。达到稳压的目的。

 

电阻R3为V1输出的最小负载，用于提高轻载时的电压调整率。当输出电压偏低时， R3的作用是给431提供电流偏执通路。为避免刚接通电源时输出电压产生过冲现象，TL431的阴极与阳极之间并联一只软启动电容C12。其作用分析如下：刚上电时由于C12两端的压降不能突变，使得VKA=O，TL431不工作。随着整流滤波器的输出电压逐渐升高，光耦二极管(LED)上的电流就通过R2对C12充电，使C12上的电压不断升高，TL431逐渐转入正常工作状态。输出电压在延迟时间内缓慢上升，最终达到13.2V稳定值。

 

2.7取样与反馈电阻的确定

 

 

如何确定R2、R3、R4及R5的值。首先要搞清TOP管的控制特性。从TOPSwicth的技术手册可知流入控制脚C的电流Ic与占空比D成反比关系，如图2所示。可以看出Ic的电流应在2-6mA之间，PWM会线性变化，因此PC817三极管的电流Ice也应在这个范围变化。而Ice是受二极管电流If控制的，R1的取值要保证TOP控制端取得所需要的电流，假设用PC817，其CTR=Ic/IF=0.8-1.6，从TL437的技术参数知，Vka在2.5V-36V变化时，阴极工作电流IKA可以在从1mA到100mA以内很大范围里变化。当光偶CTR取低限0.8时，此进流过光二极管的最大电流，IFMAX-=6/0.8=7.5mA，TL431阴极电压VkA=Vo-VF-( IFMAX×R2)>2.5V，其中VF为光偶二极管的正向压降。VF典型值为1.2V。

 

VkA=13.2-1.2-7.5×R2>2.5V

 

R2<1.3k(取R2=250Ω)

 

431要求至少有1mA的工作电流，也就是R2的电流接近于零时，也要保证431有1mA，所以R3<=1.2V/1mA=1.2K(取R3=510Ω即可)。

 

R5的取值，R5的值不是任意取的，要考虑两个因素：

 

    * 431参考输入端的电流，一般此电流为2μA左右，为了避免此端电流影响分压比和避免噪音的影响，一般取流过电阻R5的电流为参考段电流的100倍以上，所以此电阻要小于

2.5V/200μA=12.5K．

 

*待机功耗的要求，如有此要求，在满足R5≤12.5KΩ的情况下尽量取大值。取R5=10KΩ。

 

确定了上面几个关系后，那R4电阻的值就好确定了。根据TL431的性能，R4、R5、Vo、Vr有固定的关系：Vo=(1+R4/R5)Vr(Vr=2.5V)由此可算出R4=43.kΩ。

 

3、开关电源电路主要参数的设计

 

值此仅对各组输出功率之和、输出直流电压、最大占空比、初级电流有效值及峰值、初级绕组电感值旧及初次极绕组匝数等主要参数的计算作介绍。

 

3.1本电源总输出功率为各组输出功率之和：

 

PO=13.2×0.3+13.2×0.2+28×0.05+2×13.2×0.1+12×0.006=10.71W(反馈绕组功率为12×0.006)

 

若电源总的效率为80％，则电源输入的总功率应为：

 

Pi=PO/80％=10.7I/0.8=13.4W

 

在宽范围输入电压条件下，TOP222Y的最大输出功率为15W，能够满足本电路要求。

 

3.2根据输入交流电压确定最小直流电压、最大直流电压

 

假定交流输入电压的范围是85V-265V，输入整流桥响应时间为tc=3mS，输入滤波电容C3取22uf，则对于宽范围电压输入，输入电容选取(2-3)PO单位μF，即

 

 

 

对于宽范围电压输入，输入电容选取(2-3)Po单位μF，按比例系数(2~3) μ F/W来选取。

 

当输入电容取33μF时(推存值)，VMIN=94伏。

 

3.3确定最大占空比

 

反激电源的最大占空比出现在最低输入电压、最大输出功率的状态，根据在稳态下，变压器的磁平衡，可以有下式：

 

 

若将VOR取100V  TOP漏-源电压UDS=10V则可算出DMAX=0.6

 

反激电压VOR的选取不是任意的。对于宽范围电压输入一般取135V，对于多路电源输出一般取100V。

 

3.4计算初级电流有效值及峰值

 

 

单端反激式变换器初级工作方式分为两种：连续模式和继续模式其初级绕组电流波形如图3所示。

 

  

 

KRP为电流脉动系数，利用KRP的数值可以定量地描述开关电源的工作模式，0.4<KRP<1.0时处于连续模式，KRP=1时处于断续工作模式。KRP的值较小意味着更为连续的工作模式和相对较大的初级电感量，并且初级电流的峰值及有效值较小，因此可用功率较小的TOPSwitch芯片。

 

设在最大占空比时，当开关管开通时，原边电流为Ip1，当开关管关断时，原边电流上升到Ip2。若Ip1为0，则说明变换器工作于断续模式，否则工作于连续模式。由能量守恒，得出下式：1/2·(Ipl+Ip2)*DMAX*VMIN=Pi

 

为了提高效率，降低功率损耗，减小集肤效应，我们采用连续工作模式：我们令Ip2=2Ip2这样就可以求出变换器的原边峰值电流Ip2：

 

(0.5 Ip2+ Ip2)×0.6×77=2×13.4    Ip2=0.387A

 

TOP222Y极限电流最小值IL1MIN=0.45A，极限电流最大

 

  值IL1MAX=0.55A

  原边峰值电流Ip2必须满足:   

 

一次绕组脉动电流    

 

 一次绕组脉动电流旧与一次绕组峰值电流，Ip2的比值

 

 

一次绕组有效值电流

 

   

 

3.5确定初级绕组电感值

一次绕组电感量：

     

 

3.6确定初次极绕组匝数

 

  选择E122磁芯作为磁芯选择依据(一般选择最大磁通密度Bm=0.2T-0.3T低于0.2T磁芯未被充分利用，高于0.3所用铁氧体材料可能发生饱和)，Bm选择0.25T(特斯拉)

   

  

次级V2、V4、V5绕组匝数N2=N4=N5=N1=11匝 

     

 

 

  4、结束语

 

由于TOP222Y高频单片开关电源控制芯片引脚少，所以该多组开关电源性能调试方便简单，故障率少可靠性高。

 

至于高频变压器的计算是没有唯一的答案的，在计算过程中需要考虑大量相互关联的设计变量，变量取值不同，其设计的结果就会有一些差异，有时理论算出的值与实际会有差异，需通过进一步调整才能满足兴实际要求。