基于TOP234Y和8051的多路開關(guān)電源設(shè)計(jì)

    摘要：分析一種采用TOP234Y型多功能單片機(jī)開關(guān)電源與8051型單片機(jī)結(jié)合設(shè)計(jì)多路開關(guān)電源的方案，同時(shí)介紹TOP34Y的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理，給出該開關(guān)電源的主電路及外圍電路的設(shè)計(jì)方法。

    關(guān)鍵詞：開關(guān)電源 TOP234Y 8051型單片機(jī)

引言

電源歷來是各種電子設(shè)備中不可缺少的組成部分，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到電子設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)及能否安全可靠地工作。單片開關(guān)電源自問世以來便顯示出其強(qiáng)大地優(yōu)越性，是設(shè)計(jì)開發(fā)各種高效率中、小功率開關(guān)電源的優(yōu)勢器件。隨著生產(chǎn)、生活中自動(dòng)化程度的不斷提高，開關(guān)電源也朝著智能化方向發(fā)展，由微控制器控制的開關(guān)電源將單片開關(guān)電源與單片機(jī)控制相結(jié)合，更加體現(xiàn)了開關(guān)電源的可靠性和靈活性。本文介紹一種TOPSwitch-FX系列與單片機(jī)結(jié)合設(shè)計(jì)的開關(guān)電源。

1 TOPSwitch-FX系列簡介

TOPSwitch-FX系列是美國PI公司推出的具有高性價(jià)比的5端單片開關(guān)電源集成電路，包括TOP232P/G/Y-TOP234P/G/Y。

1．1 TOPSwitch-FX系列的引腳功能

TOP234Y采用TO-220-7B封裝，有5個(gè)引腳，分別是控制端C、多功能端M、源極S、開關(guān)頻率選擇端F、漏極D。各管腳的功能如下：

控制端C：誤差放大器和反饋電流的輸入端，用于占空比控制。

圖1

    多功能端M：線路過壓、欠壓保護(hù)輸入端；連接線電壓前饋以降低最大占空比；電流極限外部設(shè)定端；遠(yuǎn)端開/關(guān)遙控及同步；將該端與S端短接將禁止芯片功能，使其工作在簡單的3端模式下。

源極S：連接內(nèi)部MOSFET功率管的源極，最初級(jí)控制電路的公共端和參考點(diǎn)。

開關(guān)頻率選擇端F：用于選擇開關(guān)頻率的輸入端，該端與S端相連可得到130kHz開關(guān)頻率，這有助于減小高頻變壓器的體積。該端與C端連接可得到65kHz開關(guān)頻率。待機(jī)模式下選擇半頻（65kHz）工作模式能將電源功耗降至最低。P與G系列的TOPSwith沒有開關(guān)頻率選擇端F。

漏極D：連接內(nèi)部高壓MOSFT功率管的漏極，通過內(nèi)部開關(guān)高壓電流源提供啟動(dòng)偏置電流。

1．2 TOPSwitch-FX系列的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

TOPSwitch-FX系列的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如釁1所示，主要由以下部分組成：控制電壓端、基隙基準(zhǔn)電壓源、頻率抖動(dòng)振蕩器、并聯(lián)調(diào)整器/誤差放大器、脈寬調(diào)制器、過流比較器、門驅(qū)動(dòng)級(jí)和輸出級(jí)、逐步形具有滯后特性的過熱保護(hù)電路、關(guān)斷/自動(dòng)重啟動(dòng)電路、高壓電流源泉、軟啟動(dòng)電路、欠電壓比較器、電流極限調(diào)節(jié)器、線路檢測器、多功能端的內(nèi)部電路。其工作原理是通過反饋電流來調(diào)節(jié)占空比。

2 TOP234Y與8051的開關(guān)電源設(shè)計(jì)

筆者設(shè)計(jì)的開關(guān)電源具有3路輸出電壓，分別是U01（5V，2.5A）、U02（5V，150mA）、U03（12V，1A），總功率25W。其中的U02主要是為8051或8051需增加的其他外設(shè)器件（如EEPROM）供電，U01和U03是為需大電壓大電流的設(shè)備供電。設(shè)計(jì)中主要使用1個(gè)TOP234Y、3個(gè)光耦合器LTV817A及1個(gè)8051單片機(jī)。具體設(shè)計(jì)電路和器件參數(shù)如圖2所示。

2．1 主電路設(shè)計(jì)

將除TOP234Y和8051外的電路稱為主電路。電壓輸入電流為交流85V～265V，可適用于大多數(shù)應(yīng)用場合。為承受可能從電網(wǎng)竄入的雷擊電壓，在交流輸入端并聯(lián)1只壓敏電阻器VSR，并且加入1只熔斷器，以保證整個(gè)電路的安全。為了抑制電路的電磁干擾，在交流側(cè)串入電磁干擾濾波器（由C0，L1組成）來抑制開關(guān)電源的上升時(shí)間以及變壓器振動(dòng)等產(chǎn)生的噪音。

交流電經(jīng)過橋式整流器和C1整流濾波后產(chǎn)生高壓直流來給高頻變壓器的一次繞組供電。VS1和VD1能將漏感產(chǎn)生的尖峰電壓箝位到安全值，并能衰減振鈴電壓。VS1采用反向擊穿電壓為200V的P6KF200型瞬態(tài)電壓抑制器，VD0采用1A/600V的UF4006型超快恢復(fù)二極管。C1為安全電容，接在直流高壓端和地之間，能濾除一次繞組、二次繞組耦合電容產(chǎn)生的共模干擾。

高頻變壓器采用EEL25。為減少高頻變壓器體積和增強(qiáng)磁場耦合程度，二次繞組采用了堆疊式繞法。二次繞組中的一路電壓經(jīng)過VD2、C2、L2及C3整流濾波后得到所需的電壓。由于單片開關(guān)電源的開關(guān)頻率較高，因此在輸出整流管關(guān)斷后的反向恢復(fù)過程中，會(huì)產(chǎn)生開關(guān)噪音，容易損壞整流管，而由阻容元件組成的RC電路雖然能對(duì)保護(hù)二極管和降噪起到一定作用，但效果不很理想，還會(huì)在電阻器上產(chǎn)生功率損耗，因此這里選用電感器來代替電阻器。渺茫 皮電感器L2選用3.3VμH穿心電感器，可濾除VD2在反向恢復(fù)過程中產(chǎn)生的開關(guān)噪音。基于以上考慮，次級(jí)繞組的其它幾路輸出均采用此方法濾波和消噪。反饋繞組不僅直接作為一路輸出電壓，而且還為TOP234Y提供了所需偏壓。C6為保護(hù)電容器，用于濾除由一次、二次繞組耦合電容器引起的干擾。

圖2

    2．2 控制電路設(shè)計(jì)

控制電路主要指單片機(jī)開關(guān)電源器件TOP234Y和單片機(jī)8051的外圍電路。開關(guān)電源部分主要由TOP234Y（U1）、線性光耦合器LTV817A（U2）組成?？刂撇糠种饕蓡纹?051、線性光耦合器LTV817A（U3、U4）、按鍵SB組成。

利用TOP234Y的M端?？山?jīng)組成以下三種形式的開關(guān)電路，如圖3（a）～(c)所示。圖3（a）為帶極限電流設(shè)定的ON激活方式通/斷電路，圖3（b）為帶極限電流設(shè)定的OFF激活方式通/斷電路，圖3（c）為帶線性傳感器的OFF激活方式通/斷電路。圖中的開關(guān)管QR即可用炮耦合器也可以用手動(dòng)開關(guān)。其中“ON激活”是指當(dāng)ON/OFF端為高電平時(shí)開關(guān)電源激活，反之低電平激活的稱為“OFF激活”。本文采用的是第一種控制方式，線路簡單，元件相對(duì)少。

當(dāng)開關(guān)按鍵SB按下時(shí)VD5導(dǎo)通，TOP234Y的M和S接通，電路工作在三端模式，多功能端和開關(guān)頻率選擇端不起作用。這時(shí)U02有電壓輸出并為8051供電，8051經(jīng)過初始程序復(fù)位后正常工作，流過U3上的電流使光耦合器接通，隨后8051檢測到P1.0被拉至低電平，程序接收到中斷后轉(zhuǎn)入TOP234Y啟動(dòng)程序，接著給P1.1一個(gè)信號(hào)驅(qū)動(dòng)U4，從而將TOP234Y的多功能端M和開關(guān)頻率選擇端F接通，使TOP234Y保持在接通狀態(tài)，正常工作。

當(dāng)需要關(guān)斷時(shí)（TOP234Y并不完全關(guān)斷），可按下SB，一樣通過U3將信號(hào)傳輸給8051，8051的P1.0檢測到低電平信號(hào)后，將轉(zhuǎn)入關(guān)斷程序，根據(jù)需要，這期間8051還可執(zhí)行別的操作，比如保存數(shù)據(jù)、安全停止正在運(yùn)行的外部設(shè)備等。8051的操作完成后，再轉(zhuǎn)入關(guān)斷程序，從P1.1給出信號(hào)，將U4截止，這樣一來TOP234Y的漏極電流僅為0.6μA，功耗非常小。

若8051不由該開關(guān)電源供電，而改由其他設(shè)備供電時(shí)，則可以在8051內(nèi)設(shè)置定時(shí)啟動(dòng)程序，預(yù)定的時(shí)間到后，P1.1輸出信號(hào)直接將TOP234Y的M和F端短接，TOP234Y隨之啟動(dòng)。輸出的電壓可以帶動(dòng)外部設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)定時(shí)自動(dòng)運(yùn)行，如果接入遙控程序和設(shè)備，還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端遙控定時(shí)啟動(dòng)。

基于8051的開關(guān)電源設(shè)計(jì)還有許多方法，例如在圖2所示的設(shè)計(jì)圖中，用8051來控制TOP234Y的源極S端、控制端C和開關(guān)頻率選擇端F的通斷就可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)頻率切換，將F端接C端就可以實(shí)現(xiàn)65kHz的開關(guān)頻率，在視頻控制中選擇這種半頻工作可以進(jìn)一步降低設(shè)備對(duì)視頻噪音的敏感程度。

圖3

    2．3 設(shè)計(jì)使用中應(yīng)注意問題

（1）由于開關(guān)電源的軟啟動(dòng)時(shí)間和8051的復(fù)位初始化時(shí)間都可以起到延遲作用，因此，按鍵SB上不需要加防抖動(dòng)電路，這也就需要將SB按到底，給開關(guān)電源和8051以足夠的時(shí)間啟動(dòng)，而不能只是輕輕點(diǎn)擊一下按鍵，否則無法啟動(dòng)。

（2）如果按鍵SB、U3及U4距離TOP234Y的M端不夠近，則需并入電容CN以消除開關(guān)時(shí)的噪音。

3 結(jié)論

TOPSwitch-FX系列內(nèi)部集成了功率開關(guān)MOSFET及各種保護(hù)電路，配合外部電路可以實(shí)現(xiàn)多達(dá)14種控制功能，而將該電路與微控制器（不限于8051）結(jié)合使用則能實(shí)現(xiàn)更多功能并體現(xiàn)設(shè)計(jì)的靈活性。本文僅給出部分功能的實(shí)現(xiàn)方法，更多TOPSwitch-FX與微控制器結(jié)合設(shè)計(jì)的電路有待于進(jìn)一步開發(fā)。