單片開關電源的快速設計法

摘要：單片開關電源是國際上90年代才開始流行的新型開關電源芯片。本文闡述其快速設計方法。

　　在設計開關電源時，首先面臨的問題是如何選擇合適的單片開關電源芯片，既能滿足要求，又不因選型不當而造成資源的浪費。然而，這并非易事。原因之一是單片開關電源現(xiàn)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，不僅要知道設計的輸出功率PO，還必須預先確定開關電源的效率η和芯片的功率損耗PD，而后兩個特征參數(shù)只有在設計安裝好開關電源時才能測出來，在設計之前它們是未知的。

　　下面重點介紹利用TOPSwitch－II系列單片開關電源的功率損耗（PD）與電源效率（η）、輸出功率（PO）關系曲線，快速選擇芯片的方法，可圓滿解決上述難題。在設計前，只要根據(jù)預期的輸出功率和電源效率值，即可從曲線上查出最合適的單片開關電源型號及功率損耗值，這不僅簡化了設計，還為選擇散熱器提

　　η/％(Uimin=85V)

　　中圖法分類號：TN86文獻標識碼：A文章編碼：0219?2713(2000)09?488?05

　　PO/W

　　圖1寬范圍輸入且輸出為5V時PD與η，PO的關系曲線

　　圖2寬范圍輸入且輸出為12V時PD與η，PO的關系曲線

　　圖3固定輸入且輸出為5V時PD與η，PO的關系曲線

　　供了依據(jù)。

　　1TOPSwitch－II的PD與η、PO關系曲線

　　TOPSwitch－II系列的交流輸入電壓分寬范圍輸入（亦稱通用輸入），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PD與η，PO的關系曲線

　　TOP221～TOP227系列單片開關電源在寬范圍輸入（85V～265V）的條件下，當UO=＋5V或者＋12V時，PD與η、PO的關系曲線分別如圖1、圖2所示。這里假定交流輸入電壓最小值Uimin=85V，最高

　　η/％(Uimin=85V)

　　η/％(Uimin=195V)

　　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。所畫出的7條實線分別對應于TOP221～TOP227的電源效率，而15條虛線均為芯片功耗的等值線（下同）。

　　1．2固定輸入時PD與η、PO的關系曲線

　　TOP221～TOP227系列在固定交流輸入（230V±15％）條件下，當UO=＋5V或＋12V時，PD與η、PO的關系曲線分別如圖3、圖4所示。這兩個曲線族對于208V、220V、240V也同樣適用?，F(xiàn)假定Uimin=195V,Uimax=265V。

　　2正確選擇TOPSwitch－II芯片的方法

　　利用上述關系曲線迅速確定TOPSwitch－II芯片型號的設計程序如下：

　?。?）首先確定哪一幅曲線圖適用。例如，當Ui=85V～265V，UO=＋5V時，應選擇圖1。而當Ui=220V(即230V－230V×4.3％)，UO=＋12V時，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位置（PO）；

　?。?）從輸出功率點垂直向上移動，直到選中合適芯片所指的那條實曲線。如不適用，可繼續(xù)向上查找另一條實線；

　?。?）再從等值線（虛線）上讀出芯片的功耗PD。進而還可求出芯片的結溫（Tj）以確定散熱片的大??；

　?。?）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(shù)的選擇等。[!--empirenews.page--]

　　下面將通過3個典型設計實例加以說明。

　　例1：設計輸出為5V、300W的通用開關電源

　　通用開關電源就意味著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。首先從橫坐標上找到PO=30W的輸出功率點，然后垂直上移與TOP224的實線相交于一點，由縱坐標上查出該點的η=71.2％，最后從經(jīng)過這點的那條等值線上查得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。

　　若覺得η=71.2％的效率指標偏低，還可繼續(xù)往上查找TOP225的實線。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(jù)所得到的PD值，進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開關電源。

　　圖4固定輸入且輸出為12V時PD與η，PO的關系曲線

　　η/％(Uimin=195V)

　　圖5寬范圍輸入時K與Uimin′的關系

　　圖6固定輸入時K與Uimin′的關系

　　根據(jù)已知條件，從圖4中可以查出，TOP223是最佳選擇，此時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TA。再從相關曲線圖中查出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℃，才能使開關電源長期正常工作。

　　3根據(jù)輸出功率比來修正等效輸出功率等參數(shù)

　　3．1修正方法

　　如上所述，PD與η，PO的關系曲線均對交流輸入電壓最小值作了限制。圖1和圖2規(guī)定的Uimin=85V，而圖3與圖4規(guī)定Uimin=195V（即230V－230V×15％）。若交流輸入電壓最小值不符合上述規(guī)定，就會直接影響芯片的正確選擇。此時須將實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(guī)定值時的等效功率PO，才能使用上述4圖。折算系數(shù)亦稱輸出功率比（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的特性曲線分別如圖5、圖6中的實線所示。需要說明幾點：

　　（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。[!--empirenews.page--]

　?。?）當Uimin′>Uimin時K>1，即PO′>PO，這表明原來選中的芯片此時已具有更大的可用功率，必要時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 ， 受 TOPSwitch－ II調 節(jié) 占 空 比 能 力 的 限 制 ， UOR會 按 線 性 規(guī) 律 降 低 UOR′ 。 此 時 折 算 系 數(shù) K="UOR′" /UOR<1。 圖 5和 圖 6中 的 虛 線 表 示 UOR′ /UOR與 Uimin′ 的 特 性 曲 線 ， 利 用 它 可 以 修 正 初 級 感 應 電 壓 值 。

　　現(xiàn)將對輸出功率進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，然后根據(jù)已知的Uimin′值查出折算系數(shù)K。

　　（2）將PO′折算成Uimin為規(guī)定值時的等效功率PO，有公式

　　PO=PO′/K（2）

　?。?）最后從圖1～圖4中選取適用的關系曲線，并根據(jù)PO值查出合適的芯片型號以及η、PD參數(shù)值。

　　下面通過一個典型的實例來說明修正方法。

　　例4：設計12V，35W的通用開關電源

　　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(jù)PO值，從圖2上查出最佳選擇應是TOP224型芯片，此時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，就會造成資源浪費，因為它比TOP224的價格要高一些，且適合輸出40W～60W的更大功率。

　　3．2相關參數(shù)的修正及選擇

　?。?）修正初級電感量

　　在使用TOPSwitch－II系列設計開關電源時，高頻變壓器以及相關元件參數(shù)的典型情況見表1，這些數(shù)值可做為初選值。當Uimin′LP′=KLP（3）

　　查表1可知，使用TOP224時，LP=1475μH。當K=1.15時，LP′=1.15×1475=1696μH。

　　表2光耦合器參數(shù)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

　?。?）對其他參數(shù)的影響

　　當Uimin的規(guī)定值發(fā)生變化時，TOPSwitch－II的占空比亦隨之改變，進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。此時應
根據(jù)表2對IF、IE進行重新調整。

　　TOPSwitch－II獨立于Ui、PO的電源參數(shù)值，見表3。這些參數(shù)一般不受Uimin變化的影響。

　　表3獨立于Ui、PO的電源參數(shù)值

　　獨立參數(shù) 典型值

　　開關頻率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

　　參數(shù) TOP221 TOP222 TOP223 TOP224 TOP225 TOP226 TOP227

　　高頻變壓器初級電感LP(μH) 8650 4400 2200 1475 1100 880 740

　　高頻變壓器初級泄漏電感LPO(μH) 175 90 45 30 22 18 15

　　次級開路時高頻變壓器的諧振頻率fO(kHz) 400 450 500 550 600 650 700

　　初級線圈電阻RP（mΩ） 5000 1800 650 350 250 175 140

　　次級線圈電阻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