基于TOP249Y芯片的開關(guān)電源設(shè)計.

1、基于TOP249Y芯片的開關(guān)電源設(shè)計摘要：介紹了一種采用TOP249淚能控制集成芯片設(shè)計的開關(guān)電源的 方法，同時介紹了 TOP249Y芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理，給出了基于 TOP249Y 的單端反激式開關(guān)電源的設(shè)計電路，并對外圍電路的設(shè)計進(jìn)行了分析說明。關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；TOP249Y脈寬調(diào)制；TOP Switch1 引言隨著PWM技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，開關(guān)電源得到了廣泛的應(yīng)用，以往開 關(guān)電源的設(shè)計通常采用控制電路與功率管相分離的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但這種方案存在 成本高、系統(tǒng)可靠性低等問題。美國功率集成公司POWER Integration Inc 開發(fā)的TOP Switch系列新型智能高頻開關(guān)電源

2、集成芯片解決了這些問題，該系列芯片將自啟動電路、功率開關(guān)管、PWM控 制電路及保護(hù)電路等集成在一起，從而提高了電源的效率，簡化了開關(guān)電源的 設(shè)計和新產(chǎn)品的開發(fā)，使開關(guān)電源發(fā)展到一個新的時代。文中介紹了一種用T OP Switch的第三代產(chǎn)品TOP 2 4 9 Y開發(fā)變頻器用多路輸出開關(guān)電 源的設(shè)計方法。2 TOP 2 4 9 Y引腳功能和內(nèi)部結(jié)構(gòu)2.1 TOP 2 4 9 Y的管腳功能TOP 2 4 9 Y采用TO-2 2 0-7 C封裝形式，其外形如圖1所示。 它有六個管腳，依次為控制端C、線路檢測端L、極限電源設(shè)定端X、源極 S、開關(guān)頻率選擇端F和漏極D。各管腳的具體功能如下：控制端C:誤

3、差放大電路和反饋電流的輸入端。在正常工作時，利用控制 電流IC的大小可調(diào)節(jié)占空比，并可由內(nèi)部并聯(lián)調(diào)整器提供內(nèi)部偏流。系統(tǒng)關(guān) 閉時，禾用該端可激發(fā)輸入電流，同時該端也是旁路、自動重啟和補償電容的 連接點。線路檢測端L:輸入電壓的欠壓與過壓檢測端，同時具有遠(yuǎn)程遙控功能。TOP 2 4 9 Y的欠壓電流IUV為50A,過壓電流lav為2 2 5 卩A。若L端與輸入端接入的電阻R1為1M Q,則欠壓保護(hù)值為5 0VDC， 過壓保護(hù)值為2 2 5 VDC。極限電流設(shè)定端X:外部電流設(shè)定調(diào)整端。若在X端與源極之間接入不同 的電阻，貝CT關(guān)電流可限定在不同的數(shù)值，隨著接入電阻阻值的增大，開關(guān)允 許流過的電流

4、將變小。源極S:連接內(nèi)部MOSFET的源極，是初級電路的公共點和電源回流 基準(zhǔn)點。開關(guān)頻率選擇端F:當(dāng)F端接到源極時，其開關(guān)頻率為13 2kHz，而 當(dāng)F端接到控制端時，其開關(guān)頻率變?yōu)樵l率的一半，即6 6 kHz。漏極D:連接內(nèi)部MOSFET的漏極，在啟動時可通過內(nèi)部高壓開關(guān)電 流提供內(nèi)部偏置電流。2.2 TOP 2 4 9 Y的內(nèi)部結(jié)構(gòu)TOP 2 4 9 Y的內(nèi)部工作原理框圖如圖2所示，該電路主要由控制電壓 源、帶隙基準(zhǔn)電壓源、振蕩器、并聯(lián)調(diào)整器/誤差放大器、脈寬調(diào)制器（PW M）、門驅(qū)動級和輸出級、過流保護(hù)電路、過熱保護(hù)電路、關(guān)斷/自動重起動 電路及高壓電流源等部分組成。3基于TOP24

5、9Y的開關(guān)電源設(shè)計筆者利用TOP 2 4 9 Y設(shè)計了一種新型多路輸出開關(guān)電源，其三路輸出 分別為5V/10A、12.5V/4A、7V/10A，電路原理如圖3所 示。該電源設(shè)計的要求為：輸入電壓范圍為交流11 0V2 4 0 V，輸出總 功率為18 0W。由此可見，選擇TOP 2 4 9 Y能夠滿足要求。3.1外圍控制電路設(shè)計該電路將X與S端短接可將TOP 2 4 9 Y的極限電流設(shè)置為內(nèi)部最大 值；而將F端與S端短接可將TOP 2 4 9 Y設(shè)為全頻工作方式，開關(guān)頻率為 13 2kHz。圖2在線路檢測端L與直流輸入U1端連接一2M Q的電阻R1可進(jìn)行線 路檢測，由于TOP 2 4 9 Y的欠

6、壓電流IUV為50A，過壓電流lav為2 2 5 uA,因此其欠壓保護(hù)工作電壓為10 0V,過壓保護(hù)工作電壓為4 5 0V，即TOP 2 4 9 Y在本電路中的直流電壓范圍為10 04 5 0 V, 一旦超出了該電壓范圍，TOP249Y將自動關(guān)閉。3.2 穩(wěn)壓反饋電路設(shè)計反饋回路的形式由輸出電壓的精度決定，本電源采用“光耦+TL4 3 1”，它可以將輸出電壓變化控制在±1%以內(nèi)，反饋電壓由5V/12A輸 出端取樣。電壓反饋信號U0通過電阻分壓器R9、R1 1獲得取樣電壓后， 將與TL431中的2.5V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較并輸出誤差電壓，然后通過光 耦改變TOP 2 4 9 Y的控制端電流

7、IC,再通過改變占空比來調(diào)節(jié)輸出電壓 U0使其保持不變。光耦的另一作用是對冷地和熱地進(jìn)行隔離。反饋繞組的輸 出電壓經(jīng)D2、C2整流濾波后，可給光耦中的接收管提供電壓。R4、C4 構(gòu)成的尖峰電壓經(jīng)濾波后可使偏置電壓即使在負(fù)載較重時，也能保持穩(wěn)定，調(diào) 節(jié)電阻R6可改變輸出電壓的大小。3.3高頻變壓器設(shè)計由于該電源的輸出功率較大，因此高頻變壓器的漏感應(yīng)盡量小，一般應(yīng)選 用能夠滿足13 2 kHz開關(guān)頻率的錳鋅鐵氧體，為便于繞制，磁芯形狀可選 用EI或EE型，變壓器的初、次級繞組應(yīng)相間繞制。高頻變壓器的設(shè)計由于要考慮大量的相互關(guān)聯(lián)變量，因此計算較為復(fù)雜， 為減輕設(shè)計者的工作量，美國功率公司為TOPSw

8、itch開關(guān)電源的高頻變壓器設(shè)計制作了一套EXCEL電子表格，設(shè)計者可以方便地應(yīng)用電子表格 設(shè)計高頻變壓3.4次級輸出電路設(shè)計輸出整流濾波電路由整流二極管和濾波電容構(gòu)成。整流二極管選用肖特基 二極管可降低損耗并消除輸出電壓的紋波，但肖特基二極管應(yīng)加上功率較大的 散熱器；電容器一般應(yīng)選擇低ESR等效串聯(lián)阻抗 的電容。為提高輸出電壓的濾波效果，濾除開關(guān)所產(chǎn)生的噪聲，在整流濾波環(huán)節(jié)的后面通常應(yīng)再加一 級LCC濾波環(huán)節(jié)。3.5保護(hù)電路設(shè)計本電源除了電源控制電路TOP 2 4 9 Y本身所具備的欠壓、過壓、過 熱、過流等保護(hù)措施外，其外圍控制電路也應(yīng)有一定的保護(hù)措施。用D3、R 12、Q1可構(gòu)成一個5.

9、5V的過壓檢測保護(hù)電路。這樣，當(dāng)5V輸出電壓 超過5.5V時，D3擊穿使Q1導(dǎo)通，從而使光耦電流增大，進(jìn)而增大了控 制電路TOP 2 4 9 Y的控制端電流IC,最后通過內(nèi)部調(diào)節(jié)即可使輸出電壓 下降到安全值。圖3為防止在開關(guān)周期內(nèi)，TOP 2 4 9 Y關(guān)斷時漏感產(chǎn)生的尖峰電壓使T OP 2 4 9 Y損壞，電路中設(shè)計了由箝壓齊納管VR1、阻斷二極管D1、電 容C5、電阻R2、R3組成的緩沖保護(hù)網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)在正常工作時，VR1 上的損耗很小，漏磁能量主要由R2和R3承擔(dān)；而在啟動或過載時，VR1 即會限制內(nèi)部MOSFET的漏極電壓，以使其總是處于7 0 0 V以下。4電源性能測試及結(jié)果分析根據(jù)以上設(shè)計方法，筆者對采用TOP 2 4 9 Y設(shè)計的多路輸出開關(guān)電源 的性能進(jìn)行了測試。實測結(jié)果表明，該電源工作在滿載狀態(tài)時，電源工作的最 大占空比約為0.4,電源的效率約為9 0%,紋波電壓控制、電壓調(diào)節(jié)精度 及電源工作效率都超過了以往采用控制電路與功率開關(guān)管相分立的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形 式的開關(guān)電源。5 結(jié)論由于TOP 2 4 9 Y芯片內(nèi)部集成有PWM控制器、功率開關(guān)MOSFE T以及多種保護(hù)電路，所