新型高功率單片開關(guān)模塊電源的設(shè)計(jì)

1性能特點(diǎn)與技術(shù)指標(biāo)

單片開關(guān)電源是國際上90年代才開始流行的新型開關(guān)電源芯片，但早期的單片開關(guān)電源芯片普遍應(yīng)用于低功率的開關(guān)穩(wěn)壓電源。第三代單片開關(guān)電源TOP?GX系列IC是美國功率集成公司于2000年初推出的新型高功率單片開關(guān)電源芯片，它除了保持TOP?SwitchⅡ的基本特性外，即在單一CMOS芯片上集成了功率MOSFET、PWM控制器、故障檢測及其它控制電路外，還集成了很多內(nèi)置的以及用戶可配置的功能；在單電壓輸入時(shí)的最大輸出功率提高到250W，電磁兼容性能也得到較大的提高。第三代單片開關(guān)電源TOP?GX系列IC的主要性能特點(diǎn)與技術(shù)指標(biāo)是：

（1）TOPSwitch?GX系列新增了如下內(nèi)置功能：

①軟起動：其作用是降低開啟時(shí)的超調(diào)以及對元器件的沖擊；

②頻率抖動：降低EMI的峰值；

③較高的占空比允許更大的輸出功率和使用較小的輸入濾波電容；

④零負(fù)載調(diào)節(jié)能力，輕載時(shí)很高的效率使得待機(jī)時(shí)的功耗很低；

⑤滯后過熱關(guān)斷使器件可自動故障恢復(fù)。

（2）TOPSwitch?GX系列還增設(shè)了用戶可配置的引腳，用于檢測電網(wǎng)過、欠壓，外部設(shè)置電流限制以及兩種開關(guān)頻率（132kHz和66kHz）的選擇。電網(wǎng)欠壓保護(hù)、過壓關(guān)斷，以及通過電路反饋電壓的取樣以降低輸出紋波和在高輸入電壓時(shí)最大限度地減小占空比。通過外部電流限制引腳可以精確地減小功率MOSFET的電流，廉價(jià)地實(shí)現(xiàn)高效率。

（3）另外TOPSwitch?GX系列還采用節(jié)約能源的ECOSMART技術(shù)，該技術(shù)特別在待機(jī)及電源無負(fù)載條件下可以節(jié)約能源。降低能耗的功能包括遠(yuǎn)程ON/OFF功能，即通過遙控的方式控制電源的開閉，亦可實(shí)現(xiàn)外同步；在低負(fù)載時(shí)自動降低工作頻率。這些功能已超過美國“ENERGYSTAR”的標(biāo)準(zhǔn)。

由于TOPSwitch?GX系列具有以上諸多特點(diǎn)，因而可廣泛用于中、低功率的開關(guān)穩(wěn)壓電源中。它不僅電路簡單，而且可靠性高，故在中、低功率電子設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用前景。

2管腳功能

TOPSwitch?GX系列的管腳排列如圖1所示，該系列有Y封裝和P、G封裝兩種結(jié)構(gòu)。從圖上看出：對于Y封裝的TOPSwitch?GX系列，其D、C、S管腳與原TOPSwitch系列開關(guān)命名一樣，分別為漏極、控制極和源極，新增加的L、X、F管腳的功能如下：

L：為輸入電壓的欠壓與過壓檢測端，同時(shí)還具有遠(yuǎn)程遙控功能。如圖2所示，若L端與輸入電壓正端接入2MΩ的電阻，則欠壓保護(hù)值為：

圖1TOP?GX系列開關(guān)管腳圖

(a)TO?220?7C封裝(b)DIP?8B和SMD?8B封裝

圖2Y封裝TOPSwitch?GX系列電網(wǎng)電壓檢測電路

Vuv=Iuv×RL=100V（1）

過壓保護(hù)值為：

Vov=Iov×RL=450V（2）

此外L端還具有遠(yuǎn)程遙控功能，只要在L、C端之間加一個(gè)三極管或光電耦合器即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控功能。具體電路如圖3所示。

X：為外部電流設(shè)定調(diào)整端。在X端與源極之間接入不同的電阻值，則開關(guān)電流即限定為不同的數(shù)值。若R2=12kΩ，則流過開關(guān)的電流被設(shè)定為額定值的69％；若R2=6kΩ，為額定值的90％；若R2=25kΩ，為額定值的43％?？梢姡?dāng)R2值增大時(shí)，則開關(guān)允許流過的電流要減小。

F：為開關(guān)頻率選擇端。當(dāng)F端接到源極時(shí)，其開關(guān)頻率為132kHz，當(dāng)接到控制端時(shí)，其開關(guān)頻率為66kHz。

此外，TOPSwitch?GX系列也可以當(dāng)一般的三端TOP器件使用，此時(shí)只要將L、X、F端同時(shí)與源極相接即可。但此時(shí)新增用戶可配置的功能全部喪失。

對于P、G封裝的TOPSwitch?GX系列開關(guān)都沒有X、F端，而新增M端，其功能與Y封裝中的L端功能相同。

3120W、24V開關(guān)電源模塊的電路設(shè)計(jì)

3?1設(shè)計(jì)要求

（1）輸入電壓：85V～265VAC，50Hz；

（2）輸出電壓：16V～24VDC；

（3）輸出電流：5.0A；

（4）電網(wǎng)調(diào)整率：±1％。

3?2設(shè)計(jì)步驟

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)以圖4上的原理圖來說明設(shè)計(jì)步驟。

（1）器件選擇

根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇TOP248Y作為開關(guān)器件。這時(shí)TOP248Y工作在輸出功率的上限，電流設(shè)定在最大值，即將X端直接與源極相連。而過壓值設(shè)定在450VDC，若輸入電壓超過此值，則TOPSwitch?GX將自行關(guān)斷，直到輸入電壓恢復(fù)正常值，TOPSwitch?GX又自行恢復(fù)啟動。頻率選擇端F也與源極直接相連，此時(shí)開關(guān)工作頻率設(shè)定在132kHz。

（2）脈沖變壓器的設(shè)計(jì)要求

脈沖變壓器的初級電感（即勵(lì)磁電感）Lm中的電流與電壓的關(guān)系近似為：Im=×τ（3）

式中：UO為初級電感兩端的電壓；

τ為開關(guān)脈沖寬度。

由式（3）可知：脈沖變壓器的初級電感值要適當(dāng)，一般在300μH到3000μH之間。輸出功率大的情況應(yīng)取低限；反之則取上限。變壓器初級電感不能太小，太小會造成TOPSwitch?GX系列中MOSFET的漏極電流太大，使開關(guān)損耗增加，同時(shí)易造成過流保護(hù)動作，使電源難以啟動。同樣初級電感也不能太大，太大則不能滿足輸出功率的要求。

（3）電源次級電路的設(shè)計(jì)

次級電路主要是選擇整流管和濾波電容。整流管的選擇應(yīng)根據(jù)輸出電流和電壓，其最大值的選擇為：

IRLCmax?2IO=2×5=10A（4）

圖3Y封裝TOPSwitch?GX系列遠(yuǎn)程遙控電路

圖4120W、24V開關(guān)穩(wěn)壓電源原理圖

式中：VO為輸出電壓；

IO為輸出電流；

Vinmax為最大輸入直流電壓；

Dmin為開關(guān)的最小占空比；

n為脈沖變壓器的變比。

將Vinmax=375V；VO=24V；Dmin=0.18代入式(6)得到脈沖變壓器的變比為:n≈4

此時(shí)脈沖變壓器的初級勵(lì)磁電流為:Im==1.25A(7)

此值遠(yuǎn)小于TOP248Y的漏極電流（7.2A）。

電源次級整流管在低輸出電壓的情況下，一般采用肖特基二極管，用來減小二極管的損耗。當(dāng)輸出電壓較高時(shí)，則需要采用快恢復(fù)二極管（如圖4中D2）；當(dāng)開關(guān)頻率較高時(shí)，應(yīng)采用超快恢復(fù)二極管作整流管，以減小其反向電流對初級的影響。

濾波電容C7的容量應(yīng)滿足輸出電壓紋波的要求，L1及C8應(yīng)能有效地濾除開關(guān)所產(chǎn)生的噪聲影響。

（4）反饋調(diào)整電路的設(shè)計(jì)

反饋調(diào)整電路采用光耦和可調(diào)三端穩(wěn)壓器TL431組成的調(diào)整電路，如圖4電路中的VR2、R5、R7、R10、R11和R6組成的輸出電壓調(diào)整電路。R5作為光耦的限流電阻，并不能影響電路的檢測環(huán)路的增益。在起動瞬間，檢測光耦輸出電流，從而改變控制端C的電流，實(shí)現(xiàn)預(yù)調(diào)整，以確保電源在低電網(wǎng)電壓和滿載啟動時(shí)達(dá)到規(guī)定的調(diào)整值。R9、C10、C11和R4、C4組成環(huán)路補(bǔ)償電路。

4設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題

TOPSwitch?GX系列開關(guān)電源若設(shè)計(jì)得當(dāng)，則較容易滿足設(shè)計(jì)要求；若設(shè)計(jì)不當(dāng)，則會出現(xiàn)一些不正?，F(xiàn)象。在設(shè)計(jì)電源時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)問題：

（1）因?yàn)殡娫吹妮敵龉β瘦^大，故要求脈沖變壓器的漏感應(yīng)盡可能小，特別是低壓大電流的情況下更應(yīng)如此。脈沖變壓器的初、次級繞組應(yīng)相間繞制。即使這樣，脈沖變壓器漏感中儲存的能量仍有可能超過瞬態(tài)抑制二極管VR1的功率容量，因而用R2、R3和C2與VR1并聯(lián)，將漏感中的能量部分地?fù)p耗在R2、R3上，以保證VR1的工作可靠性；同時(shí)又將電壓鉗位在200VDC，使TOPSwitch?GX在電源啟動與過載條件下，確保器件內(nèi)部MOSFET的漏極電壓低于700VDC。

（2）輸出濾波電容的等效串聯(lián)電阻應(yīng)盡可能的

小，特別是在低壓大電流的情況下更應(yīng)如此，否則由于電容損耗增大而大大降低電源的可靠性。

（3）光耦的出端應(yīng)靠近控制端C，控制端C的濾

波電容應(yīng)靠近源極；另外多功能端L、X、F或M與源極連接線也應(yīng)盡可能短，同時(shí)要遠(yuǎn)離漏極，以減小電源噪聲。

5結(jié)語

第三代TOPSwitch?GX系列比第二代TOPSwitch系列增加了許多功能，同時(shí)輸出功率也有較大提高。實(shí)踐證明，用第三代TOPSwitch?GX系列設(shè)計(jì)單片開關(guān)模塊電源，其電路結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾性能好，可靠性高，性價(jià)比高，故在中、低功率電子設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用前景。