基于TOP227Y的單片開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)

1、基于TOP227Y的單片開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)王小雙1，2，林輝1， 趙靜2(1.西北工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院 西安 710072；2.西安通信學(xué)院 西安 710106)摘要: 介紹了一種基于TOP227Y三端離線式PWM集成芯片的反激式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源；分析了TOP227Y的特性和工作原理，設(shè)計(jì)了一款功率50W，輸出+15V的單片開(kāi)關(guān)電源，并對(duì)系統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源實(shí)用電路及主要單元電路進(jìn)行了詳細(xì)的分析，進(jìn)行了參數(shù)值計(jì)算、器件的選取與電路設(shè)計(jì)；最后，給出了該電源輸出實(shí)驗(yàn)波形，并進(jìn)行了整體性能分析。實(shí)驗(yàn)證明：該開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源具有效率高、紋波小、輸出電壓穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞: 單片開(kāi)關(guān)電源; 單端反激式; 高頻變壓器Desig

2、n of Single - Chip Switching Power Supply Based on TOP227Y Wang Xiao-shuang1,2，Lin Hui1，Zhao Jin2 （1.northwestern polytechnical university ,School of automation Xi，an 710072 ；2. The communication institute of Xi，an, 710106）Abstract : A flyback switching power supply based on TOP227Y is presented. Fi

3、rstly , the principle and characteristics of this Single -chip switching power supply are analyzed. A single-chip switching power supply is designed according to the features of the chip which output power is 50W and output voltage is +15V. Second , the design method and practical circuit. are descr

4、ibed. Calculation of the values of the parameters and selection of the components are provided. At last, output voltage wave and the analysis of the whole electrical character are given. The test result shows the power supply have high efficiency , low ripple , stability output voltage and so on.Key

5、 words : TOPSwitch switching power; single-chip flyback ; highf requency transformer0 引言 單片開(kāi)關(guān)電源自20世紀(jì)90年代中期問(wèn)世以來(lái)，由于具有單片集成化、最簡(jiǎn)外電路、最佳性能指標(biāo)、無(wú)工頻變壓器、能完全實(shí)現(xiàn)電氣隔離等顯著特點(diǎn)，顯示出強(qiáng)大的生命力，倍受人們青睞，是開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展方向。目前,它已成為國(guó)際上開(kāi)發(fā)290W以下高效率中、小功率開(kāi)關(guān)電源、精密開(kāi)關(guān)電源、特種開(kāi)關(guān)電源及電源模塊的優(yōu)選集成電路。本文介紹了由美國(guó)PI公司生產(chǎn)的TOP227Y型( TOPSwitch-系列)三端單片開(kāi)關(guān)電源構(gòu)成的15V/50W無(wú)工頻

6、變壓器式單片開(kāi)關(guān)電源模塊。該開(kāi)關(guān)電源模塊可應(yīng)用于直流無(wú)刷電機(jī)、儀器儀表等控制供電電源。1 TOP227Y的主要性能特點(diǎn)和工作原理11.1 性能特點(diǎn)TOP227Y是TOPSwitch-系列中一款輸出功率比大的芯片，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（control）、源極S（source）、漏極D(drain)，其內(nèi)部功率MOSFET器件的耐壓值高達(dá)700V，可設(shè)計(jì)成150W以下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)：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)

7、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。由于采用CMOS電路，使器件功耗顯著降低。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%。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

8、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%。因此，被譽(yù)為“綠色”電源。1.2 工作原理TOP227Y的內(nèi)部框圖如下圖1所示，主要包括10個(gè)部分： 圖1 TOP227Y的內(nèi)部框圖 控制電壓源（控制電壓UC向并聯(lián)調(diào)整器和門(mén)極驅(qū)動(dòng)提供偏壓；控制端電流則能調(diào)節(jié)占空比。UC有兩種工作模式，一種是滯后調(diào)節(jié)，用于啟動(dòng)和過(guò)載兩種情況，具有延遲作用；另外一種是并聯(lián)調(diào)節(jié)，用于分離誤差信號(hào)與控制電路的高壓電流源。） 帶隙基準(zhǔn)電壓源（內(nèi)部提供各種基準(zhǔn)電壓；

9、產(chǎn)生一個(gè)具有溫度補(bǔ)償并可調(diào)整的電流源，可精確設(shè)定振蕩頻率和門(mén)驅(qū)動(dòng)級(jí)電流）。 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（并聯(lián)調(diào)整器的作用是當(dāng)加到控制的反饋電流超過(guò)所需電流時(shí)，就通過(guò)并聯(lián)調(diào)整器進(jìn)行分流）。 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PWM，并能濾掉開(kāi)關(guān)噪聲電壓）； 門(mén)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）； 過(guò)熱保護(hù)及上電復(fù)位電路（當(dāng)芯片結(jié)溫135

10、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）。TOP227Y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)輸出電壓減小時(shí)，經(jīng)過(guò)反饋電路使得降低，增大，升高，最終使保持不變。具體工作原理請(qǐng)參閱文獻(xiàn)2。2 設(shè)計(jì)實(shí)例2-4圖2是用TOP227Y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+15VDC，功率為50W。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

11、、輸出整流濾波電路及反饋電路5部分。 圖2 TOP227Y單片電源電路圖2.1 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、整流部分和整流濾波電容。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。本設(shè)計(jì)中,選用四個(gè)IN4007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3F /W來(lái)取值，再考慮余量

12、后，取=150F/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，可由式（1）和（2）式可得輸入直流電壓最小值和最大值為： （1） （2） 式中 系統(tǒng)效率，可選擇80%； 交流電網(wǎng)頻率； 電源輸出功率。2.2 變壓器設(shè)計(jì)5單端反激式變換器與半橋和全橋變換器的根本區(qū)別在于：高頻變壓器磁芯只工作在磁滯回線的第一象限。在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)只儲(chǔ)存能量，而在截止時(shí)向負(fù)載傳遞能量。因此，它既是變壓器又是儲(chǔ)能電感，具體設(shè)計(jì)如下：1）選磁芯反激變換器的功率比較小，一般選用鐵氧體材料的磁芯，其功率容量(Ap)計(jì)算公式如下公式： （3）式中 變壓器磁芯的有效

13、截面積（cm2）； 變壓器磁芯的窗口面積（cm2）； 變壓器的標(biāo)稱輸出功率（w）； 變壓器的效率，一般取0.8-0.9； 變壓器的工作頻率； 線圈導(dǎo)線的電流密度，通常取2-3（A/mm2）; 窗口填充系數(shù)，一般取0.2-0.4； 磁芯的填充系數(shù)，一般取1.0。根據(jù)計(jì)算的AP選取余量大些的磁芯既可。擇EI-48鐵氧體磁芯，其有效截面積大于的計(jì)算值。2）計(jì)算最大占空比 （4）式中 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。3）計(jì)算變壓器的初級(jí)自感 （5） 是整流濾波直流高壓；是電源輸入功率。4）計(jì)算原邊繞組最大峰值電流 （6）是主功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通時(shí)間，取最大導(dǎo)

14、通時(shí)間0.5us（f=100k）.4）計(jì)算初、次級(jí)繞組匝數(shù)初級(jí)繞組匝數(shù)為： （7） 為變壓器磁通變化量，一般取1000-3000G。 次級(jí)繞組匝數(shù)為： （8） 反饋繞組匝數(shù)為： （9）式中 反饋電壓，取為10.4V。5）計(jì)算氣隙長(zhǎng)度 （10）式中 氣隙長(zhǎng)度(mm) 常數(shù)，4×10-7H/m。磁芯截面積(mm2)6）確定導(dǎo)線線徑設(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。2.3 箝位保護(hù)電路設(shè)計(jì)當(dāng)TOP227Y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

15、漏感而形成，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，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MUR1560。2.4 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。輸出整流二極管的開(kāi)關(guān)損耗占系統(tǒng)損耗的1/6多，是影響開(kāi)關(guān)電源效率的主要因素，它

16、包括正向?qū)〒p耗和反向恢復(fù)損耗。由于肖特基二極管反向恢復(fù)時(shí)間短，在降低反向恢復(fù)損耗以及消除輸出電壓中的紋波方面有明顯的性能優(yōu)勢(shì)，所以選用肖特基二極管作為整流二極管。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： （11）式中 次級(jí)繞組輸出電壓；輸入交流電壓最大值。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

17、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，如圖2中的。2.5反饋回路的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431加線形光耦PC817A構(gòu)成反饋回路，可使電壓調(diào)整率達(dá)到±0.1%。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3所示。圖3 TOPSwitch占空比與控制電流的關(guān)系為使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

18、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。對(duì)于圖2所示電路中的反饋部分，主要是確定、和的值。根據(jù)TL431的特性知，、和之間存在以下關(guān)系： （12）式中 TL431參考端電壓，為2.5V；TL431輸出電壓先取10K，則由式（12）算得50K。再確定和，由圖2電路可知 （13）式中 光耦二極管的正向壓降，由PC817技術(shù)手冊(cè)知，典型值為1.2V。先取300，則由式（13），可得52。設(shè)計(jì)的實(shí)際取值為：300，52，50K，10K。3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析按照以上分析得到的參