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关键词：单片开关电源；脉宽调制
1 概述
开关电源因具有重量轻、体积小、效率高、稳压范围宽等优点，在电子电气、控制、计算机等许多领域的电子设备中得到了广泛的使用。TOPSwitch（Three-terminal Off-line PWM Switch）单片开关电源是美国PI (Power Integration ) 公司于上世纪90年代中期推出的新型高频开关电源芯片，被誉为"顶级开关电源"，它仅用了3个管脚就将脱线式开关电源所必需的具有高压N沟道功率MOS场效应管、电压型PWM控制器、100kHz高频振荡器、高压启动偏置电路、基准电压、用于环路补偿的并联偏置调整器、误差放大器和故障保护功能块等全部集成在一起了。采用TOPSwitch器件的开关电源与分立的MOSFET功率开关及PWM集成控制的开关电源相比，具有电路结构简洁、成本低廉、性能稳定、制作及调试方便, 自保护完善等优点。典型的TOPSwitch单端反激式开关电源电路原理图如图1所示。
图1 典型的TOPSwitch单端反激式开关电源电路原理图
2 TOPSwitch系列芯片工作原理
图2为TOPSwitch芯片的内部结构图，TOPSwitch芯片是一个自偏置、自保护的电流--占空比线性控制转换器。通常在控制极和源极之间，紧靠其管脚，并联一个外部旁路电容。
图2 TOPSwitch芯片的内部结构图
电源启动时，连接在漏极和源极之间的内部高压电流源向控制极充电，在RE两端产生压降，经RC滤波后，输入到PWM比较器的同相端，与振荡器产生的锯齿波电压相比较，产生脉宽调制信号并驱动MOSFET管，因而可通过控制极外接的电容充电过程来实现电路的软启动。当控制极电压Uc达到5.7V时，内部高压电流源关闭，此时由反馈控制电流向Uc供电。在正常工作阶段，由外界电路构成电压负反馈控制环，调节输出级MOSFET的占空比以实现稳压。当输出电压升高时，Uc升高，采样电阻RE上的误差电压亦升高。而在与锯齿波比较后，将使输出电压的占空比减小，从而使开关电源的电压减小。当控制极电压低于4.7V时，MOSFET管关闭，控制电路处于小电流等待状态，内部高压电流源重新接通并向Uc充电，其关断/自动复位滞回比较器可使Uc保持在4.7V~5.7V之间。图3所示是其运行波形图，中a图为正常运行波形，ｂ图为自动重启波形。自动重启电路具有一个八分频计数器，可以阻止输出级MOSFET再次导通，直到八个放电--充电周期完成为止。因此，在自动重启期间，占空比控制在５%左右可有效地限制芯片的功耗。自动重启动电路一直工作到Uc进入受控状态为止[1]。
图3 控制端电压波形图
3 开关电源的电路设计
1） 选择TOPSwitch芯片的型号
设电源的输出总功率为 ，功率因素为 （一般取＝80％），则输入功率 ，为了使芯片能稳定运行，另外还需要在考虑一定的设计余量（一般取10％以上）。TO-220(Y)封装的TOPSwitch－II系列芯片的负载能力如表1所示，根据计算出的功率值，选择相应的芯片。
2） 输入整流滤波电路设计
选用TOP224Y芯片设计一台输出27W的开关电源，电路原理图如图4所示，输出电压为12V 1A和5V 3A。整流滤波电路包括输入交流滤波、整流、电容稳压三部分。S为电源选择开关，当S1闭合时选择110V倍压整流电路。R1和R2为均衡电阻，可以平衡C1，C2上的电压，避免某一电容因压降过高而被击穿，此外，在断电后这两只电阻还给电容提供了泄放回路。当S断开时就选择220V交流电，此时C1与C2相串联。
交流滤波可使用技术成熟的Π型滤波电路，具体参数推荐如下：去除差模干扰的C3和C4为0.1～2μＦ；去除共模干扰的C5、C6为2.2～33ｎＦ；Ｌ1为5～15ｍＨ，采取双线并绕。因C6的容量较大(0.47μF)，在其上并联电阻R20，在断电后C6经R12进行放电。
图4 开关电源电路原理图
3）变压器设计
单端反激式高频开关变压器是开关电源的关键器件，在电路中兼有储能、限流和隔离作用，又因流过电流直流成分，设计难度比较大，应精心设计，此外，要设计出性能优良的开关电源，高频变压器的参数值往往要经过多次调整。参考文献[2]中全面的讲解了高频变压器设计的各个要点，本文不在赘述。
4）输出整流滤波电路设计
输出整流滤波电路由整流二极管和滤波电容构成，输出整流二极管的开关损耗占系统损耗的六分之一到五分之一，是影响开关电源效率的主要因素，包括正向导通损耗和反向恢复损耗。由于肖特基二极管导通时正向压降较低，因此具有更低的正向导通损耗。此外，肖特基二极管反向恢复时间短，在降低反向恢复损耗，以及消除输出电压中的纹波方面有明显的性能优势，选用肖特基二极管作为整流二极管。对输出滤波电容，选用ESR(等效串联阻抗)低耐压高的电容[3]。
5）钳压齐纳管(VR1)和阻断二极管(VD1)的选择
每个开关周期内，TOPSwitch芯片的关断将导致变压器漏感产生尖峰电压。VR1和VD1构成的钳位电路防止了此电压对TOPSwitch芯片的损坏，VR1和VD1的选择由反射电压VOR决定，VOR推荐值为135Ｖ，VR1钳位电压VCLO可由经验公式VCLO=1.5VOR得出,VD1的耐压值应大于VMAX（变压器初级输入最大电压），并选择快恢复二极管。
6）反馈电路设计
外部误差放大器由TL431组成，＋5V输出电压经R10，R11分压后得到的取样电压，与TL431中的2.5V带隙基准电压进行比较。当＋5V输出端电压大于5V时，取样电压>2.5V，光耦U2(CNY17-2)使控制端电流IC增大，TOP224Y的输出占空比减小，使＋5V输出端电压维持减小，达到稳压目的。光耦工作在线性状态，起隔离作用，如果所选光耦的CRT(电流放大率)上限超过200%，容易造成TOP224过压保护。相反，若CTR下限小于40%，占空比将不能随反馈电流的增大而减小，从而导致过流。因此，应选择CTR范围接近100%的光耦。
4 实验结果
1) 电压调整率：在额定负载情况下，当输入电压从85V AC～265V AC变化时，实测电路的电压调整率为：SV=ΔV/ＶO=0.8%；
2) 负载调整率：在额定输入电压下（220V AC），当负载从额定值的10%～100%变化时，实测电路的负载调整率为：Si=ΔＶ/ＶＯ=1.5%；
3) 效率：在额定输入电压及额定负载情况下，实测电路的效率为： =78.5%.
5 结束语
综上所述，采用TOPSwitch系列芯片设计的低功率开关电源，电路结构简单，效率高，成本低，输出电压性能好，有着很好的应用前景。
参考文献：
[1] 赵皊. 用TOPSwitch芯片设计的反激式开关电源[J]. 南京:现代雷达，2003，7(7)：50－53
[2] 沙占友. 新型开关电源的设计和应用[M]. 北京：电子工业出版社，2001.
[3] 潘腾，林明耀，李强. 基于TOP224Y芯片的单端反激式开关电源[J]. 北京：电力电子技术，2003，37(4) :20～22
