例(1)基于TOP224Y的單片開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)

1、現(xiàn)代電源變換技術(shù)主講人： 馬瑞卿 2007.10第四講:開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)舉例一、一種基于一種基于TOP224YTOP224Y的單片開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的單片開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì) 二、PWMPWM型半橋式開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)型半橋式開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì) 一、一種基于TOP224Y的單片開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì) 上世紀(jì)90年代美國(guó)PI（Power Integration Inc.）公司推出的TOPSwitch系列開(kāi)關(guān)電源集成芯片解決了這些問(wèn)題。該系列芯片將自啟動(dòng)電路、功率MOSFET、控制電路以及保護(hù)電路集成在一起，極大地簡(jiǎn)化了外圍電路的設(shè)計(jì)，降低了成本，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性，縮短了研發(fā)周期；同時(shí)提高了電源的效率，并使電源的體積和重量大為減小

2、。所以，該系列芯片一經(jīng)推出便得到廣泛的應(yīng)用，展示了其良好的應(yīng)用前景。 一、一種基于TOP224Y的單片開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)1、TOP224Y的主要性能特點(diǎn)和工作原理1.1 性能特點(diǎn)性能特點(diǎn) TOP224Y是TOPSwitch-系列中一款最常用的芯片，其封裝形式是TO-220，自帶小散熱片，是典型的三端集成器件，三個(gè)管腳分別為控制端C、源極S、漏極D，其內(nèi)部功率MOSFET器件的耐壓值高達(dá)700V，可設(shè)計(jì)成40W以上儀器儀表的多路隔離式內(nèi)置控制電源，TOPSwitch-系列產(chǎn)品具有以下顯著特點(diǎn)： 一、一種基于TOP224Y的單片開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)1、TOP224Y的主要性能特點(diǎn)和工作原理1.1 性能特點(diǎn)性能特

3、點(diǎn) 1）將脈寬調(diào)制（PWM）控制系統(tǒng)的全部功能集成到三端芯片中，內(nèi)含脈寬調(diào)制器、功率開(kāi)關(guān)場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）、自動(dòng)偏置電路、保護(hù)電路、高壓?jiǎn)?dòng)電路和環(huán)路補(bǔ)償電路，通過(guò)高頻變壓器使輸出端與電網(wǎng)完全隔離，真正實(shí)現(xiàn)了無(wú)工頻變壓器、隔離式開(kāi)關(guān)電源的單片集成化，使用安全可靠。2）采用漏極開(kāi)路輸出，并利用控制極反饋電流IC來(lái)線性調(diào)節(jié)占空比實(shí)現(xiàn)AC/DC變換的，即屬于電流控制型單片開(kāi)關(guān)電源。3）輸入交流電壓和頻率的范圍極寬。作固定電壓輸入時(shí)，可選110V/115V/230V交流電，允許變化15%。在寬電壓范圍輸入時(shí)，適配85V265V交流電，但輸出功率峰值POM值要比前者降低40%。一、一種基于TOP2

4、24Y的單片開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)1、TOP224Y的主要性能特點(diǎn)和工作原理1.1 性能特點(diǎn)性能特點(diǎn)4）它只有三個(gè)引出端，能以最簡(jiǎn)方式構(gòu)成無(wú)工頻變壓器的單端反激式開(kāi)關(guān)電源。開(kāi)關(guān)頻率的典型值為100kHz，允許范圍是90k110kHz，占空比調(diào)節(jié)范圍是1.7%67%。5）外圍電路簡(jiǎn)單，電磁干擾小，成本低廉。由于芯片本身功耗很低，電源效率可達(dá)80%左右，最高可達(dá)90%。一、一種基于TOP224Y的單片開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì) 1、TOP224Y的主要性能特點(diǎn)和工作原理1.2 工作原理 TOP224Y的內(nèi)部框圖如下圖所示，主要包括10個(gè)部分： 控制電壓源（由控制電壓UC向并聯(lián)調(diào)整器和門極驅(qū)動(dòng)提供偏壓，而控制端電流IC則能

5、調(diào)節(jié)占空比）； 帶隙基準(zhǔn)電壓源（內(nèi)部提供各種基準(zhǔn)電壓）； 振蕩器（產(chǎn)生鋸齒波SAW、最大占空比信號(hào)Dmax和時(shí)鐘信號(hào)CLOCK）；并聯(lián)調(diào)整器/誤差放大器；一、一種基于TOP224Y的單片開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)1、TOP224Y的主要性能特點(diǎn)和工作原理1.2 工作原理 脈寬調(diào)制器（通過(guò)改變控制端電流 的大小，連續(xù)調(diào)節(jié)脈沖占空比，實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制并能濾掉開(kāi)關(guān)噪聲電壓）； 門驅(qū)動(dòng)級(jí)和輸出級(jí)（內(nèi)含耐壓為700V的功率開(kāi)管MOSFET）； 過(guò)流保護(hù)電路（利用MOSFET。的漏源通態(tài)電阻RDS(ON) 來(lái)檢測(cè)過(guò)電流，當(dāng)漏極電流 過(guò)大時(shí)令MOSFET關(guān)斷，起到過(guò)流保護(hù)作用）； CIDI一、一種基于TOP224Y的單片開(kāi)關(guān)

6、電源設(shè)計(jì)1、TOP224Y的主要性能特點(diǎn)和工作原理1.2 工作原理 過(guò)熱保護(hù)及上電復(fù)位電路（當(dāng)芯片結(jié)溫135時(shí)關(guān)斷輸出級(jí)）； 關(guān)斷/自動(dòng)重啟動(dòng)電路（當(dāng)調(diào)節(jié)失控時(shí)，立即使芯片在低占空比下工作。當(dāng)故障已排除，就自動(dòng)重新啟動(dòng)電源恢復(fù)工作）； 高壓電流源（提供偏流用）。TOP224Y的基本工作原理是利用反饋電流來(lái)調(diào)節(jié)占空比，達(dá)到穩(wěn)壓目的。如當(dāng)輸出電壓VO減小時(shí)，經(jīng)過(guò)光耦反饋電路使得降低，增大， VO升高，最終使保持不變。 CICI一、一種基于TOP224Y的單片開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)2設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)實(shí)例 圖2是用TOP224Y芯片設(shè)計(jì)的單端反激式開(kāi)關(guān)電源的原理圖。輸入為220V AC（15%），輸出為+15V D

7、C，功率為20W。 由于TOPSwitch芯片集成度高，設(shè)計(jì)工作主要是外圍電路的設(shè)計(jì)。外圍電路基本分為輸入整流濾波電路、鉗位保護(hù)電路、高頻變壓器、輸出整流濾波電路及反饋電路5部分。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，按5個(gè)部分分別進(jìn)行說(shuō)明。 圖2 TOP224Y單片電源電路圖 一、一種基于TOP224Y的單片開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)2 設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)實(shí)例2.1 輸入整流濾波電路設(shè)計(jì)輸入整流濾波電路設(shè)計(jì) 輸入整流濾波電路包括交流濾波、整流、電容穩(wěn)壓三部分。 交流濾波采用技術(shù)成熟的型濾波電路，具體參數(shù)如下：去除差模干擾的 、 為0.1F/250V；去除共模干擾的 、 為10nF；濾波線圈 為1033mH,采取雙線并繞。整流電路選擇不

8、可控的整流橋，整流二極管的反向耐壓應(yīng)大于400V，其承受的沖擊電流應(yīng)大于額定整流電流的710倍。還應(yīng)注意，選定的整流二極管的穩(wěn)態(tài)電流容量應(yīng)為計(jì)算值的兩倍。 8C9C10C11C1L一、一種基于TOP224Y的單片開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)2 設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)實(shí)例2.1 輸入整流濾波電路設(shè)計(jì)輸入整流濾波電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中,選擇800V/3A的整流橋，或選用四個(gè)IN4007作整流二極管構(gòu)成整流橋。在當(dāng)前的供電條件下，電容 的值可根據(jù)輸出功率按照1F /W來(lái)取值，再考慮余量后，取 =22F/400V。交流電壓輸入范圍為187V253V，即 =187v, =253v假設(shè)整流橋中二極管導(dǎo)通時(shí)間為 =3ms，可由下兩式可得

9、輸入直流電壓最小值和最大值為：式中 系統(tǒng)效率，可選擇80%； 交流電網(wǎng)頻率； 電源輸出功率。52minmin212)2(CtfPVVCLOACmaxmax2ACVVLfOP1C1CminACVmaxACVCt一、一種基于TOP224Y的單片開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì) 2 設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)實(shí)例 2.2 變壓器設(shè)計(jì)變壓器設(shè)計(jì)1）選磁芯為滿足TOP224Y芯片100kHz的工作頻率，選用錳鋅鐵氧體材料的磁芯。通常，輸出功率和磁芯截面積有下面的經(jīng)驗(yàn)公式：式中 變壓器磁芯的有效截面積（cm2）； 電源的輸出功率（w）； 變壓器的效率，一般取85%。 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算，選擇EI-28鐵氧體磁芯，其有效截面積大于 的計(jì)算值

10、。 tOePA15. 0eAOPteA一、一種基于TOP224Y的單片開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)2）計(jì)算最大占空比 )(minmaxDSORORVVVVDORVDSV式中: 一次級(jí)反射到初級(jí)的反射電壓，取135V； MOSFET的漏源極通態(tài)電壓，取10V。maxD一、一種基于TOP224Y的單片開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì) 3）計(jì)算變壓器的初級(jí)自感sOACPfPDVL2maxminsf式中: 開(kāi)關(guān)頻率，取100 kHz； 電源效率，可取80%。PL一、一種基于TOP224Y的單片開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)4）計(jì)算初、次級(jí)繞組匝數(shù) 對(duì)于AC220V固定輸入，次級(jí)繞組應(yīng)取0.6匝/V，輸出電壓 =15V，故求得次級(jí)繞組匝數(shù)為： 匝（取整后）

11、 初級(jí)繞組匝數(shù)為： 匝（取整后） 反饋繞組匝數(shù)為： 匝（取整后）OV10) 7 . 0( 6 . 0OSVN867 . 0OORSPVVNN87 . 07 . 0OFBSFVVNNORVFBV初級(jí)反射電壓；取135V；反饋電壓，取為10.4V。一、一種基于TOP224Y的單片開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì) 5）計(jì)算氣隙長(zhǎng)度PePrgLANL2gLreA式中： 氣隙長(zhǎng)度(mm)常數(shù)，410-7H/m磁芯截面積(mm2)這里應(yīng)注意：如果在中心柱開(kāi)氣隙，則高度為L(zhǎng)g；為了達(dá)到同樣效果且簡(jiǎn)單易行，在兩個(gè)外柱上應(yīng)各墊1/2Lg高度的絕緣墊片。一、一種基于TOP224Y的單片開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì) 6）確定導(dǎo)線線徑 在100kHz開(kāi)

12、關(guān)頻率下，銅導(dǎo)線的穿透深度是0.21mm，故所選導(dǎo)線的直徑要小于0.42mm。通過(guò)計(jì)算各繞組的平均電流（IAVG）、峰值電流（IP）、均方根電流（IRMS）可確定出所用導(dǎo)線的線徑。本設(shè)計(jì)中初級(jí)繞組和反饋繞組用線徑0.31mm的導(dǎo)線單股繞，次級(jí)繞組用線徑為0.35mm的導(dǎo)線雙股并繞。一、一種基于TOP224Y的單片開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)2.3 箝位保護(hù)電路設(shè)計(jì)箝位保護(hù)電路設(shè)計(jì) 當(dāng)TOP224Y的功率MOSFET管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)，在高頻變壓器T的初級(jí)繞組上會(huì)產(chǎn)生尖峰電壓和反射電壓，其中尖峰電壓是由于高頻變壓器存在漏感而形成，它與直流高壓和反射電壓疊加后很容易損壞MOSFET管。為此，必須設(shè)計(jì)箝位保護(hù)電路，

13、對(duì)尖峰電壓進(jìn)行箝位和吸收。 圖2中VD1和VD2構(gòu)成的箝位電路可防止高壓對(duì)TOP224Y的損壞，VD1與VD2的選擇由反射電壓決定 。一般 取135V，VD1箝位電壓可由經(jīng)驗(yàn)公式 得出，VD2的耐壓值應(yīng)大于最大直流輸入電壓。 本設(shè)計(jì)中VD1采用反向擊穿電壓為200V的TVS(瞬態(tài)電壓抑制器) P6KE200，VD2采用反向耐壓為600V的超快恢復(fù)二極管BYV26C。 ORVORVORCLOVV5 . 1一、一種基于TOP224Y的單片開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)2.4 輸出整流濾波電路的設(shè)計(jì)輸出整流濾波電路的設(shè)計(jì) 輸出整流濾波電路由整流二極管和濾波電容構(gòu)成。選用肖特基二極管作為整流二極管可以降低正向?qū)〒p耗,

14、此外，在降低反向恢復(fù)損耗以及消除輸出電壓中的紋波方面也有明顯的性能優(yōu)勢(shì)。選取的原則是根據(jù)最大反向峰值電壓。次級(jí)繞組的反向峰值電壓 為 : 式中: 次級(jí)繞組輸出電壓； 輸入交流電壓最大值 SMVPSACSSMNNVVVmax2SVmaxACV一、一種基于TOP224Y的單片開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中整流二極管選用MUR420,其反向電壓值VR=200V,工作電流ID=4A，滿足設(shè)計(jì)要求。 對(duì)輸出濾波電容，ESR（等效串聯(lián)阻抗）和紋波電流是它的兩個(gè)重要參數(shù)。當(dāng)電容兩端電壓小于35V時(shí)，ESR只與電容的體積有關(guān),本設(shè)計(jì)選擇細(xì)高型的120F/35V低ESR電容。 輸出濾波電感采用3.3H的穿心電感，它是近

15、年來(lái)問(wèn)世的一種超小型的非晶合金磁性材料，又叫磁珠電感。其外形呈管狀，引線穿心而過(guò)，其直流電阻非常小，一般為。它能主動(dòng)抑制開(kāi)關(guān)噪聲的產(chǎn)生。 為減少共模干擾，在輸出的地與高壓側(cè)的地之間接共模抑制電容 一、一種基于TOP224Y的單片開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)2.5反饋回路的設(shè)計(jì)反饋回路的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用外部誤差放大器TL431加精密光耦PC817A構(gòu)成反饋回路，可使電壓調(diào)整率達(dá)到0.2%左右。電路利用輸出電壓與TL431構(gòu)成的誤差比較器，通過(guò)光耦PC817A線性關(guān)系的電流變化控制TOPSwitch的,從而改變PWM寬度，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。流入TOPSwitch控制腳C的電流與占空比D成反比關(guān)系，如圖所示

16、DmaxDmin2mA6mAIC控制腳電流IC(mA)自動(dòng)再啟動(dòng)PWM斜率占空比D（）一、一種基于TOP224Y的單片開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì) 為使PWM線性調(diào)節(jié)，控制腳電流 應(yīng)在26mA之間，而 是受光耦二極管電流 控制的，由于PC817A是線性光耦，二極管正向電流 在3mA左右時(shí)，三極管的集射電流 在4mA左右，而且集射電壓在很寬的范圍內(nèi)線性變化。因此一般選PC817A二極管正向電流 為3mA。 從TL431的技術(shù)參數(shù)可知，陰極工作電壓 的允許范圍為2.537V，陰極工作電流 在1100mA內(nèi)變化，一般選20mA即可，不但可穩(wěn)定工作，又能提供一部分死負(fù)載。 2.5反饋回路的設(shè)計(jì)反饋回路的設(shè)計(jì)CICIf

17、IfIceIfIKAUKAI一、一種基于TOP224Y的單片開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)2.5反饋回路的設(shè)計(jì)反饋回路的設(shè)計(jì)對(duì)于圖2所示電路中的反饋部分，主要是確定R2、R3、R4和R5的值。根據(jù)TL431的特性知，VO、VREF、R4和R5之間存在以下關(guān)系:REFOVRRV)1(54式中: TL431參考端電壓，為2.5V；輸出電壓 先取R5=10K,由上式得R4=50K由圖電路知OVREFV32)(RIIVIRfKAff為光耦二極管正向壓降，由PC817手冊(cè)知，典型值為1.2V。取R2 470，由上式得R3 153 設(shè)計(jì)的實(shí)際取值為： R2 470， R3 150， R4 50K， R5 10K。fV一、一種基于TOP224Y的單片開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析按照以上分析得到的參數(shù)設(shè)計(jì)了一款基于TOP224Y的反激式開(kāi)關(guān)