TOP250Y开关电源的工作原理及关键电路参数设计

引 言TOPSwitch电源技术是近年来迅速发展的一种开关电源技术，因其在体积、效率和可靠性等方面的优势，目前在通信、计算机和家用电器等众多领域中得到了非常广泛的应用。但由于前几代TOPSwitch遍存在输出功率受限的不足之处，使其在要求有较大输出功率的电源应用中受到很大的限制。针对这种情况， Power Integrations公司推出了TOPSwitch的第四代单芯片高压IC系列： TOPSwitch-GX系列。TOPSwitch-GX单芯片高压IC 系列将高压功率MOSFET、PWM控制、故障保护和其他控制电路等高性价比地集成在单片CMOS芯片上。其内建特性包括用于在启动时消除过冲和降低元件应力的软启动、减小EMI 的频率抖动、欠压保护和过压保护、可编程限流等优异特性。与TOPSwitch-GX系列其它产品一样，因为其采用了单芯片控制的设计理念，而且TOP250Y只有很少的三四个外围元器件，这就使得相同设计的电源尺寸更小、待机效率更高、系统成本更低，并保持了用途广泛和设计简单的特色，使电源设计能为290W以下的应用创造出高性价比的方案。本文具体分析了TOP250Y开关电源的工作原理，并详细介绍了TOP250Y型芯片在大功率开关电源应用中关键电路参数的设计方法，并给出了设计实例。该实例中电源最大输出功率达到了288 W，对单芯片TOPSwitch在大功率开关电源领域内的应用研究具有指导意义。TOP250Y开关电源的基本原理TOP250Y型芯片有六个管脚：D、S、C、F、X、L，简单的TO220-7C 封装外形简图如图1所示。图1 TOP250Y封装外形图图1各管脚功能如下：漏极管脚（D）：高压功率MOSFET漏极输出。控制管脚（C）：用于调节占空比的误差放大器与电流输入脚。源极管脚（S）：将其连接至输出MOSFET源极时可得到高压功率回馈。电压检测管脚（L）：具有欠压保护、过压保护、减少Dmax的线性前馈及远程开关等功能。外部限流管脚（X）：用于外部电流限制值设置的输入脚。频率管脚（F）：用于选择开关频率的输入脚。由TOP250Y构成288W（24V/12A）大功率高效开关电源的电路如图2所示。图2 由TOP250Y构成的开关电源电路其交流输入电压范围是交流176～264V ，满载时电源效率可达86%。交流电压UI 依次经过电磁干扰（EMI） 滤波器（C1，L1）、输入整流滤波器（V1，C2） 获得直流高压。直流高压经过R1 后接N1 的L端，为TOP250Y提供电压前馈信号，实现过压保护、欠压保护以及使电源随输入电压改变Dmax功能。这里将N1的X 脚接地，使TOP250Y 工作在最大占空比，因此，即使在宽范围输入时，电源也能达到最大连续输出功率PoM=290W。将N1的F脚接地，使TOP250Y工作在较高的132kHz频率上，采用这种设计方法允许高频变压器选用尺寸较小的磁芯，并防止出现磁饱和现象。次级电压经过V5，C8～C11，L2和C12整流滤波后，获得+ 24V/12A的稳压输出。C8～C11滤除纹波电压，L2和C12则用来消除开关噪声。该电源采用一个简单的串联稳压管方式的光耦反馈电路。E1为4N25型线性光耦合器。V7和V8分别采用1N963 和1N962 型稳压管。其稳压原理如下：当由于某种原因致使输出电压Uo↑，所产生的误差电压使E1中LED的IF↑，光耦接收管的IE↑，使得N1 控制端电流Ic↑，而占空比D ↓，导致Uo↓，从而实现了稳压目的。反之， Uo↓→I F↓→I E↓→Ic↓→D↑→Uo↑，同样起到稳压作用。当开关电源空载时，TOP250Y能采用跳过周期的方式极大地降低最大输出占空比，使得Dmax《2%。因此，在输出端无须接假负载，这样还可降低空载或待机状态下的功耗。V6和C14为次级提供软启动，C14为软启动电容，能消除刚接通电源时产生的电压过冲现象，使反馈绕组提供给N1的C脚电压先于输出电压，这样就保证了即使在低输入电压和满载情况下，也能使输出电压在启动时正常调整。电阻R5和电容C13构成控制环路补偿电路。反馈绕组电压经过V4和C5整流滤波后，产生12 V的反馈电压，经过E1 给TOP250Y 的控制端提供偏压。C4 是旁路电容，它还与R3 和C3 构成控制环路的补偿电路。齐纳箝位管V2、超快速二极管V3、电阻R2和电容C6组成尖峰吸收电路。用于吸收在TOP250Y关断时由高频变压器漏感产生的尖峰电压， 对TOP250Y中MOSFET管的漏极起到保护作用。由于V2上并联R2和C6，在正常工作时，R2几乎承担了所有的泄放能量，而在启动或超载的情况下，V2又限制了尖峰电压不超过N1中MOSFET管的安全电压（700V）。关键电路设计与实例举例电路参数： 交流UI=176～264V， f=132kHz， D =0.5， Uo=24V， Io=12A， Po=288W，纹波≤1%。输入滤波电容的设计考虑市电掉一个脉冲的时间是10 ms ，取电源输出的保持时间td=10ms ，电容C2 上的直流电压从250V（176V×1.414）下降到220 V后，输出才开始下降。故PQ3535的功率容量乘积为1.72 ，为0.66的3倍，如果按50%的余量计算，在132kHz开关频率工作时，PQ3535的输出功率可达375W ，因此设计值为288W是充分留有余量的。变压器的各电参数设计a.计算初级绕组的电感量依据上述计算参数及耐压要求，查手册实际选用四只35V/1000μF电容并联，其等效ESR 约为0.017Ω，满足设计要求。尖峰吸收电路和环路控制频率补偿电路的设计尖峰吸收电路和环路控制频率补偿电路的设计也可由相应公式得到，但由于电路元器件参数差别和加工工艺的影响，上述两种电路参数的设计还需要大量实验数据验证，因此仅给出本电源设计的参数，这里就不再赘述了。试验结果通过用LeCroy公司生产的电源专用示波器测试，得到本电源设计的主要试验结果如下：Po = 290.402W；空载功耗≤1.48W； 线性调整率≤±0.97%；负载调整率≤±1.74%； 纹波≤0.95%；效率≥86.1%。结 语根据上述理论， 成功设计了一种新一代TOPSwitch控制的大功率开关电源。不仅证明了设计方法的正确，而且整个电路设计简洁，电源可靠性也得到很大提高。随着对TOPSwitch的进一步研究，由新一代TOPSwitch控制的大功率开关电源必将得到更加广泛的应用。