基于TOPSwitch-GX系列TOP247Y芯片的低功率開關電源設計

　本文介紹了一種基于TOP247Y的多路開關穩(wěn)壓電源，其結構簡單、成本低廉、制作調(diào)試方便，基本上能達到所要求的條件。

　　TOPSwitch-GX系列芯片工作原理

　　圖1給出了TOP247Y芯片內(nèi)部結構圖，共有6個引出端，它們分別是控制端C、線路檢測端L、極限電流設定端X、源極S、開關頻率選擇端F和漏極D。利用線路檢測端(L)可實現(xiàn)4種功能：過壓(OV)保護;欠壓(UV)保護;電壓前饋(當電網(wǎng)電壓過低時用來降低最大占空比);遠程通/斷(ON/OFF)和同步。而利用極限電流設定端，可從外部設定芯片的極限電流。在每個開關周期內(nèi)都要檢測功率MOSFET漏源極導通電阻Ros(on)上的漏極峰值電流ID(PK)，當ID(PK)>ILIMIT時，過電流比較器就輸出高電平，依次經(jīng)過觸發(fā)器、主控門和驅(qū)動級，將MOSFET關斷，起到過電流保護作用。

　　電源啟動時，連接在漏極和源極之間的內(nèi)部高壓電流源向控制極充電，在RE兩端產(chǎn)生壓降，經(jīng)RC濾波后，輸入到PWM比較器的同相端，與振蕩器產(chǎn)生的鋸齒波電壓相比較，產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號并驅(qū)動MOSFET管，因而可通過控制極外接的電容充電過程來實現(xiàn)電路的軟啟動。當控制極電壓Uc達到5.8V時，內(nèi)部高壓電流源關閉，此時由反饋控制電流向Uc供電。在正常工作階段，由外界電路構成電壓負反饋控制環(huán)，調(diào)節(jié)輸出級MOSFET的占空比以實現(xiàn)穩(wěn)壓。當輸出電壓升高時，Uc升高，采樣電阻RE上的誤差電壓亦升高。而在與鋸齒波比較后，將使輸出電壓的占空比減小，從而使開關電源的電壓減小。當控制極電壓低于4.8V時，MOSFET管關閉，控制電路處于小電流等待狀態(tài)，內(nèi)部高壓電流源重新接通并向Uc充電，其關斷/自動復位滯回比較器可使Uc保持在4.8～5.8V之間。當開關電源的負載很輕時，能自動將開關頻率從132kHz降低到30kHz(半頻模式下則由66kHz降至15kHz)，可降低開關損耗，進一步提高電源效率。

　　多路輸出的開關電源設計

　　由TOP247Y構成的多路開關電源原理圖見圖2，其中輸出三路200mA、15V的直流電，一路400mA、15V的直流電，以及1A、5V的直流電。多路電源用高頻變壓器獲得多組電壓輸出，經(jīng)快速恢復二極管、電容濾波后得到多路直流電源。

　　當電源輸入交流85～265V時，交流電壓U依次經(jīng)過電磁干擾(EMI)濾波器(C1，L1)、輸入整流濾波器(KBL406G，C2)獲得直流高壓UI。UI經(jīng)過R1接L端，能使極限電流隨UI升高而降低。它使用C3，VD型漏極鉗位二極管P6KE200A和阻斷二極管D1，以替代價格較高的TVS(瞬態(tài)電壓抑制器)，用于吸收在TOP247Y關斷時由高頻變壓器漏感產(chǎn)生的尖峰電壓，對漏極起到保護作用。次級電壓經(jīng)過整流、濾波后獲得多路輸出。其中15V電源輸出所用的是快速恢復二極管，其他輸出用的二極管是肖特基二極管，其目的是減少整流管的損耗。

　　由TOP247Y構成的多路開關電源原理圖[!--empirenews.page--]

　　該電源采用3枚芯片，包括TOP247Y(U1)、光耦合器LTV817A，以及可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓管LM431。為減小高頻變壓器體積和增強磁場耦合程度，次級繞組采用了堆疊式繞法。其穩(wěn)壓原理為，U=UR4+UZ+ULM431。當U發(fā)生變化時，如U增加時，流過光耦的電流增大，光耦輸出的電流隨著增大，流經(jīng)TOP247Y控制端的電流增加，而占空比則減小，從而U下降，這樣達到穩(wěn)壓的目的，反之U減小時也有相同的原理。

　　可調(diào)精密穩(wěn)壓管LM431的內(nèi)部參考電壓為2.495V，輸出電壓經(jīng)電位器和R7分壓，可調(diào)電壓在2.5V(基準值)至37V(最大值)之間。R6和C18構成LM431的頻率補償網(wǎng)絡。C19為軟啟動電容。除5V電壓外，其余各路輸出未加反饋，輸出電壓均由高頻變壓器的匝數(shù)比來確定。R9～R12是15V輸出的假負載，它能降低該路的空載及輕載電壓。

　　另外，為了盡可能減少電磁干擾，在開關電源的輸入側接入共模扼流圈，可以明顯改善電磁噪聲。而安全電容C6能濾除一次、二次繞組耦合電容產(chǎn)生的共模干擾，電容C1可濾除電網(wǎng)線之間的串模干擾。

　　高頻變壓器的設計

　　該開關電源是一個具有多路輸出的直流電源，由高頻變壓器N個二次繞組經(jīng)整流濾波后獲得。因此開關電源的性能在很大程度上決定于變壓器的設計。

　　● 功率計算

　　高頻變壓器的二次繞組有三路15V完全相同的直流輸出，另一路15V電壓的電流為400mA，5V電壓提供給其他的芯片，再加上反饋繞組，故由以上設定條件可知，高頻變壓器的輸出功率為：

　　P0=15×0.2×3+15×1×0.4+5×1=20W

　　考慮反饋繞組和裕量，實際選用功率為25W。

　　● 磁芯的選用

　　根據(jù)參考文獻給出的輸出功率與磁芯尺寸的關系，本開關電源選用EI-33磁芯，其額定輸出頻率為25kHz、50kHz和100kHz三種，可以選擇其中的一種，磁芯有效截面積Ae=119.3，Le=67.6，Ve=8067.4。

　　● 繞組匝數(shù)的計算

　　由開關電源設計的特點，在確定功率開關元件MOS管的工作頻率時，若工作頻率較低，則噪聲較大;若工作頻率較高，開關損耗將增大，但可使變壓器、電容等小型化。因此在確定開關頻率時要折衷考慮。設定工作頻率為25kHz，ρ=0.5，η=0.94。ρ為PWM調(diào)制的占空比，η為變壓器的效率。

　　則原邊電感量Lp為：

　　其中，P0為輸出功率，η為變壓器的效率，Z為損耗分配因數(shù)(通常令Z=0.5)，fs為開關頻率。 變壓器一次繞組電流：

　　變壓器匝數(shù)比：

　　變壓器二次繞組匝數(shù)：

　　實取N=9(匝)。一次繞組匝數(shù)：

　　5V直流輸出側的繞組匝數(shù)：

　　使用TOP247Y的注意事項

　　● 輸入濾波電容C2的負極直接連反饋繞組，以便將反饋繞組上的浪涌電流直接返回到輸入濾波電容，以提高抑制浪涌干擾的能力。

　　● TOP247Y控制端附近的電容應盡可能靠近源極和控制端的引端。S極與C、L、X端過通過一條獨立的支路相連，不可共享一條支路。

　　● S、L、X端的引線與外圍相關元件的距離也要盡可能短，并且遠離漏極的支路要防止產(chǎn)生噪聲耦合。

　　● 線路檢測電阻R1應盡可能接近于L引腳。

　　結束語

　　綜上所述，采用TOPSwitch-GX系列芯片設計的低功率開關電源，電路結構簡單，效率高，成本低。經(jīng)實驗測定，輸出電壓調(diào)整率、負載調(diào)整率均在設定范圍內(nèi)，實驗結果證明該開關電源是可靠的。