新型開關(guān)芯片TOP224P在開關(guān)電源中的應(yīng)用

1　引言

　　美國TOPSWitch公司生產(chǎn)的第一代TOP開關(guān)芯片在開關(guān)電源的設(shè)計(jì)中已得到了廣泛應(yīng)用。目前，該公司又最新推出了第二代開關(guān)芯片TOPSWitch-Ⅱ系列，與第一代TOP開關(guān)相比，性能有很大提高，AD/DC效率高達(dá)90%，并具有輸出功率范圍大，成本低，集成化程度高，電路設(shè)計(jì)簡單等特點(diǎn)。芯片內(nèi)的許多電路都作了改進(jìn)，使開關(guān)電源的設(shè)計(jì)更加容易。本文應(yīng)用的TOP224P是TOPSWitch-Ⅱ系列中的芯片。

　　2　TOP224P芯片簡介

　　2.1　管腳介紹

　　該芯片由漏極端、控制端、源極端三個(gè)管腳組成。

　　漏極端(DRAIN腳)與輸出MOSFET漏極連接。啟動(dòng)時(shí)，提供內(nèi)部偏置電流，控制端(CONTROL腳)控制輸出占空比，是誤差放大器和反饋電流的輸入端。正常工作時(shí)，由內(nèi)部并聯(lián)穩(wěn)壓器提供內(nèi)部偏置電流，也可以作電流旁路和自動(dòng)啟動(dòng)/補(bǔ)償電路電容的接點(diǎn)，源極端(SOURCE腳)和輸出MOSFET的源極連接，也是開關(guān)電源初級電路的公共點(diǎn)和參考點(diǎn)。

　　2.2　芯片內(nèi)部工作原理介紹

　　芯片內(nèi)部工作原理框圖如圖1所示。該芯片由MOSFET.PWM控制器、高壓啟動(dòng)電路環(huán)路補(bǔ)償和故障保護(hù)電路等部分組成。具體工作過程如下：在控制端環(huán)路振蕩電路的控制下，漏極端有電流輸入芯片提供開環(huán)輸入，該輸入通過并聯(lián)穩(wěn)壓運(yùn)放誤差放大器時(shí)，由控制端進(jìn)行閉環(huán)調(diào)整，改變IFB，經(jīng)PWM控制MOSFET的輸出占空比，最后達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。
 

圖1  芯片內(nèi)部工作原理框圖
 
　　2.3　芯片功能特點(diǎn)介紹

　　TOP224P是一個(gè)自編置、自保護(hù)的電流--占空比線性控制轉(zhuǎn)換器。由于采用CMOS工藝，轉(zhuǎn)換效率與采用雙集成電路和分立元件相比，偏置電流大大減少，省去了用于電流傳導(dǎo)和提供啟動(dòng)偏置電流的外接電阻。在正常工作時(shí)，內(nèi)部MOSFET輸出脈沖的占空比隨著CONTROL腳電流的增加而線性減少。

　　TOP224P通過高壓電流源的接通和斷開，使控制電壓VC保持在4.7-5.7V之間。芯片內(nèi)部電壓都取自具有溫度補(bǔ)償?shù)膸痘鶞?zhǔn)電壓，能產(chǎn)生可微調(diào)的溫度補(bǔ)償電流源，用來精確地調(diào)節(jié)振蕩的頻率和MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)電流。振蕩器額定頻率選為100KHz，可降低EMI，提高電源的效率。柵極驅(qū)動(dòng)電流可逐周限流微調(diào)，從而提高精度。

　　此外，該芯片還有關(guān)斷/自動(dòng)重新啟動(dòng)、過熱保護(hù)等自身保護(hù)功能。

　　3　TOP224P在雙路輸出開關(guān)電源設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

　　3.1　開關(guān)電源電路及工作原理

　　以+5V、+12V、20W雙路輸出開關(guān)電源為例，電路圖如圖2所示。

圖2  20W雙路輸出開關(guān)電源電路圖[!--empirenews.page--]
 

　　交流電源電壓經(jīng)BR1整流和C1濾波后，產(chǎn)生高壓直流電壓加至變壓器T1和初級線圈一端，變壓器初級線圈另一端接TOP224P。用VR1和D1來箝位變壓器漏電感引腳的脈沖前沿尖峰。通過D3、C9、L3、C10整流濾波，再由7812穩(wěn)壓塊進(jìn)行穩(wěn)壓后，直接得到+12V輸出電壓。變壓器次級線圈通過D2、C2、L1、C3整流濾波后，產(chǎn)生+5V直流輸出電壓。R2、VR2組成一穩(wěn)壓電路，提高負(fù)載調(diào)整能力。次級線圈T1-4兩端電壓經(jīng)D4、C4整流濾波，提供TOP224P所需的偏置電壓。L2、G、C8可以減弱由變壓器原端線圈和原端到副端等效容性阻抗產(chǎn)生的高壓開關(guān)波形引起的共模電流。L2、C6組成電磁干擾濾波器，減弱由變壓器原端梯形電流的基波和高次諧波干擾產(chǎn)生的差模電流。C5、R3與控制端阻抗ZC設(shè)置自啟動(dòng)周期。
　　3.2　開關(guān)電源電路主要元件選擇

　　1)開關(guān)芯片的選擇

　　TOPSwitceh-Ⅱ系列芯片的選擇參考表，如表1所示。

    根據(jù)輸出功率的要求應(yīng)選擇TOP223P或TOP224P，現(xiàn)選擇TOP224P。

    2)高壓變壓器的選擇

    變壓器原端線圈T1-1電感量依照輸出功率選擇，20W輸出功率、50%占空比時(shí)，Lmax=630μH，

    對于+5V輸出電壓的副線圈T1-3和原端線圈T1-1的匝數(shù)比：

　
    其中Vmax=200V(VR1的穩(wěn)壓值的200V)，V0=+5V,Dmax=50%，故線圈匝數(shù)比為40。

    副端線圈T1-4的匝數(shù)和線徑與副線圈T1-3一致。

    對于+12V輸出電壓的副線圈T1-2，其線徑與T1-3一致，匝數(shù)和T1-1匝數(shù)比：

    其中V0應(yīng)比+12V至少大2V。

    3)VR1的選擇

    VR1要有足夠的功率，在大電流輸出的條件下，VR1的峰值電壓應(yīng)比反向輸出電壓高30V-80V，這里選擇P6KE200，峰值電壓為287V。

    4)其它重要元件的選擇

    5)自啟動(dòng)周期的選擇

    自啟動(dòng)周期的計(jì)算公式：

    T=8×(2πRC)=16π(R3+Zc)C5，其中，典型值Zc=15，芯片控制振蕩頻率f=100KHz，故R3=6.2,C5=47μF。
　　4　開關(guān)電源輸出紋波的抑制

　　開關(guān)電源存在輸出紋波大，電磁干擾強(qiáng)等不足，嚴(yán)重影響了開關(guān)電源的廣泛應(yīng)用。在圖2電路中，C9、L3，C10和C2、L1、C3分別用來抑制來自超高頻和高頻噪聲；U2，TOP224P組成有源低頻濾波器，用來抑制輸出交流噪聲；C7、C8組成共模干擾濾波器，用來抑制寄生參數(shù)的共模噪聲。在三種濾波器的共同作用下，使開關(guān)電源的輸出紋波由原來的340mV降為30mV，進(jìn)一步擴(kuò)大了開關(guān)電源的應(yīng)用。

　　5　結(jié)束語

　　本文應(yīng)用TOP224P設(shè)計(jì)了雙路輸出開關(guān)電源，該電源不僅具有效率高，輸出電壓紋波小，帶負(fù)載能力強(qiáng)、成本低、設(shè)計(jì)電路簡單等特點(diǎn)，而且還具有溫度補(bǔ)償、逐周限流、過熱保護(hù)、自動(dòng)重新啟動(dòng)等功能。該開關(guān)電源已在GDJ-100型稱重控制器中得到應(yīng)用，電源工作穩(wěn)定，可靠性強(qiáng)，具有實(shí)用和推廣價(jià)值。