摘 要： 介紹了一種基于集成式開關電源芯片TOP256Y的反激式開關穩壓電源。分析了TOP256Y的特性和工作原理，設計了一款功率50 W、輸出+24 V的開關電源，并對系統開關電源實用電路及主要單元電路進行了詳細的分析，進行了參數值計算、器件的選取與電路設計。最后，對該電源進行了整體性能分析。實驗證明：該開關穩壓電源具有效率高、紋波小、輸出電壓穩定等優點。
關鍵詞： 開關電源；單端反激式；高頻變壓器
集成式開關電源由于具有單片集成化、最簡外電路、最佳性能指標、無工頻變壓器、能完全實現電氣隔離等顯著特點，顯示出強大的生命力，是開關電源的發展方向。目前，它已成為國際上開發300 W以下高效率中、小功率開關電源、精密開關電源、特種開關電源及電源模塊的優選集成電路。本文介紹了由美國PI公司生產的TOP256Y型( TOPSwitch-HX系列)單片開關電源構成的24 V/50 W高頻開關電源模塊。 該開關電源模塊可應用于直流無刷電機、儀器儀表等控制供電電源。
1 TOP256Y的主要性能特點和工作原理
1.1 性能特點
TOP256Y是TOPSwitch-HX系列中一款輸出功率比大的芯片，其封裝形式是TO-220-7C，TOPSwitch-HX以經濟高效的方式將一個700 V的功率MOSFET、高壓開關電流源、PWM控制器、振蕩器、熱關斷保護電路、故障保護電路及其他控制電路集成在一個單片器件內。外圍電路簡單，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80%左右，最高可達90%。TOPSwitch-HX系列芯片使用了頻率、電壓監測和外部流限3個引腳，以實現一些新的功能。將如上引腳與源極引腳連接時，TOPSwitch-HX以類似TOPSwitch的三端模式工作。然而，在此種模式下，TOPSwitch-HX仍能實現如下多項功能而無需其他外圍元件：
(1)完全集成的17 ms軟啟動，通過從低到高掃描限流點和頻率以限制啟動時的峰值電流和電壓，可以顯著降低或消除大多數應用中的輸出過沖。
(2)最大占空比(DCMAX)可達78%，允許使用更小的輸入存儲電容，所需輸入電壓更低或具備更大輸出功率能力。
(3)采用132 kHz的開關工作頻率，可以減小變壓器器和電源的尺寸，并對EMI沒有顯著影響。
(4)輸入欠壓(UV)檢測可以防止關機時輸出的不良波動，輸入過壓(OV)關斷電路提高了對輸入浪涌的耐受力。
(5)采用多模式工作，可以優化和提高整個負載范圍內的電源效率，同時保持多路輸出電源中良好的交叉穩壓精度。
(6)遲滯過熱關斷功能確保器件在發生熱故障時自動恢復。滯后時間較長可防止電路板過熱。
(7)降低自動重啟占空比和頻率可以增強在開環故障、短路或電壓失調狀況下對電源和負載的保護能力。
1.2 工作原理
TOP256Y的內部框圖如圖1所示，主要包括以下部分：
(1)控制(C)引腳
控制引腳是提供供電和反饋電流的低阻抗節點。在正常工作期間，分路穩壓器用來將反饋信號從供電電流中分離出來。控制引腳電壓VC是控制電路(包括MOSFET柵極驅動在內)的供電電壓。
(2)脈寬調制器
脈寬調制器通過驅動輸出MOSFET來實現多模式控制，其占空比與流入控制腳超過芯片內部消耗所需要的電流成反比。
(3)誤差放大器
并聯調整器也可在初級反饋應用中用作誤差放大器。并聯調整器的電壓由一個具有溫度補償的帶隙基準提供。控制腳的動態阻抗ZC設置誤差放大器的增益。
(4)可外部編程的片內流限
逐周期的峰值漏電流限制電路以MOSFET的導通電阻作為電流采樣電阻。流限比較器將輸出MOSFET導通狀態下的漏-源極電壓VDS(ON)與一個閾值電壓相比較。漏電流太大將使VDS(ON)超過閾值電壓并在下一個時鐘周期開始前關斷輸出MOSFET。流限比較器的閾值電壓采用溫度補償，使輸出MOSFET的VDS(ON)隨溫度所產生的變化對流限的影響最小。
(5)輸入欠壓檢測(UV)
在上電時，UV令TOP256Y在輸入電壓達到欠壓閾值前保持關斷；在斷電時，UV防止它在輸出失調后自動重啟動。在斷電時，UV防止它在輸出失調后自動重啟動。
(6)線電壓過壓關斷(OV)
用于設置UV欠壓閾值的電阻也用于設置過壓保護的閾值，當超過閾值時就會立即強制TOP256Y關斷開關(完成當前開關周期后)。如果此情況持續超過100 μs，TOP256Y輸出將被強制進入關斷狀態。
(7)遲滯型或鎖存型輸出過壓保護(OVP)
遲滯型或鎖存型輸出過壓保護(OVP)的檢測是都是通過觸發輸入過壓閾值來實現的。V引腳的電壓將下降0.5 V，控制器會在電壓下降后立即測量外部所連阻抗。如果IV或IM超過IOV(LS)(典型值為336 μA)100 μs以上，TOP256Y將永久關斷，即鎖存型OVP。只有在VV或VM低于1 V，或者VC低于上電復位閾值(VC(RESET))時，它才會復位并恢復正常。
(8)降低DCMAX的線電壓前饋
設置UV和OV的電阻同時也用于產生線電壓前饋，使輸出紋波最小并減小了輸入電壓瞬態變化時對輸出的影響。值得注意的是，對于相同的控制腳電流，更高的線電壓會使占空比更小。
(9)遠程開/關
TOP256Y可通過控制流入電壓監測引腳或流出外部流限引腳來接通或關斷。另外，電壓監測引腳上連有1 V的輸入閾值比較器，此電壓閾值也可用于實現遠程開/關控制。
(10)遲滯過熱保護
TOP256Y由精密的模擬電路提供溫度保護，當結溫超過熱關斷溫度(典型值140 ℃)時，該電路就關斷輸出MOSFET，當結溫冷卻到遲滯溫度以下時，自動恢復并重新正常工作。
(11)帶隙基準
TOP256Y內部所有的關鍵電壓均來自于一個具有溫度補償的帶隙基準。此基準電壓用于產生所有其他內部電流基準，經調整此電流基準能精確設定開關頻率、MOSFET柵極驅動電流、流限和線路OV/UV/OVP閾值。
(12)高壓偏置電流源
在啟動或遲滯模式工作時，高壓電流源從漏極引腳輸入，為TOP256Y器件提供偏置，并對控制腳的外接電容充電。在自動重啟動、遠程關斷和過熱關斷時，器件進入遲滯工作模式。
2 設計實例
圖2是用TOP256Y芯片設計的單端反激式開關電源的原理圖。輸入為交流220 V(±15%)，輸出為直流+24 V，功率為 48 W。由于TOPSwitch-HX芯片集成度高，設計工作主要是外圍電路的設計。外圍電路基本分為輸入整流濾波電路、高頻變壓器、箝位保護電路、欠壓過壓保護電路、外部流限保護電路、輸出整流濾波電路及反饋電路 7 部分。
2.1 輸入整流濾波電路設計
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∏型濾波電路，具體參數如下：去除差模干擾的C1、C2為0.33 μF/275 V；去除共模干擾的C3、C4為22 nF/250 V； 濾波電感T1為20 mH。整流電路是由4只二極管組成的整流橋，整流二極管的反向耐壓應大于400 V，其承受的沖擊電流應大于額定整流電流的5～6倍，選定的整流二極管的穩態電流容量應為計算值的兩倍。
本設計中，選用4個IN5408整流二極管構成整流橋。在220V AC(±20%)的供電條件下，電容C5的值可根據輸出功率按照2 μF/W來取值，再考慮余量后，取100 μF/400 V。
2.2 高頻變壓器設計
單端反激式開關電源的高頻變壓器磁芯只工作在磁滯回線的第一象限。在開關管導通時只儲存能量，而在截止時向負載傳遞能量。因此，它既是變壓器又是儲能電感，具體設計如下：
(8)確定導線線徑
設計中初級繞組和反饋繞組用線徑0.31 mm的導線單股繞， 次級繞組用線徑為0.44 mm的導線雙股并繞。
2.3 箝位保護電路設計
當TOP256Y的功率MOSFET管由導通變為截止時，在高頻變壓器T2的初級繞組上會產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，直流高壓和反射電壓疊加后很容易損壞MOSFET管。因此，必須設計箝位保護電路，對尖峰電壓進行箝位和吸收。
圖2中VD1和VD2構成的箝位電路可防止高壓對TOP256Y的損壞，VD1與VD2的選擇由反射電壓VOR決定。VOR一般取135 V，VD1箝位電壓 VCLO可取1.5倍VOR，VD2的耐壓值應大于最大直流輸入電壓VDCmax。
本設計中VD1采用反向擊穿電壓為200 V的TVS(瞬態電壓抑制器)P6KE200A，VD2采用反向耐壓為600 V的超快恢復二極管FR107。
2.4 欠壓過壓保護電路設計
通過在V引腳與直流電壓間連接一個4 MΩ的阻抗來實現線電壓檢測。如果直流輸入電壓升至400 V以上，在電壓恢復正常值前TOP256Y將停止工作，以防止器件的損壞。如果直流輸入電壓低于100 V, 在輸入電壓達到欠壓閾值前TOP256Y保持關斷；在斷電時，防止它在輸出失調后自動重啟動。
2.5 外部流限保護電路
電阻R1、R2和R3用來限制輸出功率，這樣可以在輸入電壓波動時維持相對恒定的過載功率。
2.6 輸出整流濾波電路的設計
輸出整流濾波電路由整流二極管和濾波電容構成。輸出整流二極管的開關損耗占系統損耗的15%以上，是影響開關電源效率的主要因素，它包括正向導通損耗和反向恢復損耗。由于肖特基二極管反向恢復時間短，在降低反向恢復損耗以及消除輸出電壓中的紋波方面有明顯的性能優勢，所以選用肖特基二極管作為整流二極管。選取的依據是最大反向峰值電壓。次級繞組的反向峰值電壓VSM按1.5倍VO選取。
對輸出濾波電容，選用100 μF/50 V鋁電解電容。輸出濾波電感采用6×8的工形磁芯繞制，用線徑 0.31 mm的導線單股繞，電感值約8 mH。為減少共模干擾，在輸出的地與高壓側的地之間接共模抑制電容，如圖2中的C13。
2.7 反饋回路的設計
為了滿足負載變化較大時的供電要求，提高輸出電壓的穩定度，設計采用了可調式精密穩壓器TL431加線性光耦TLP521構成反饋回路，電路如圖2所示。電壓采樣及反饋電路由光耦TLP521、TL431及與之相連的阻容網絡構成。
其控制原理如下：輸出電壓經R10、R11分壓后得到采樣電壓，此采樣電壓與TL431提供的2.5 V參考電壓進行比較，當輸出電壓正常(24 V)時，采樣電壓與TL431提供的2.5 V參考電壓相等則TL431的K極電位不變，流過光耦二極管的電流不變，光耦CE的電壓不變，TOP256Y的C腳電位穩定，輸出驅動的占空比不變，輸出電壓穩定在設定值不變。當輸出24 V電壓因為某種原因偏高時，經分壓電阻R10、R11分壓值就會大于2.5 V，則TL431的K極電位下降，流過光耦二極管的電流增大，則流過光耦CE的電流也增大，TOP256Y的C腳電位下降，占空比下降，輸出電壓降低，這樣就完成了反饋穩壓的作用。R9與R10是用于控制環路的補償。C12主要是用于軟啟動保護，確保輸出電壓在滿載條件下及低電壓啟動時保持穩定。
為了使反饋回路可靠工作，根據TLP521的技術手冊，二極管的正向電流If在2 mA左右時，集射電壓在很寬的范圍內線性變化。因此一般選TLP521二極管正向電流If為2 mA。從TL431的技術手冊可知，陰極工作電壓UK的允許范圍為2.5～36 V，工作電流IK在1～100 mA內變化，一般選10 mA即可。
3 設計驗證
按照以上分析得到的參數設計了一款基于TOP256Y的反激式開關電源，電路原理圖如圖2。經過相關測試，該電源在滿載狀態時，最大占空比為0.6，電源效率為82%。
集成開關電源芯片的應用克服了以往開關電源設計中外圍元件和輔助電路復雜等問題，使開關電源高效化、模塊化，并減小了電源的體積。本文采用TOP256Y 研制了一款新型開關電源，給出了外圍電路各部分的詳細設計方法，并進行了參數計算。通過實測結果分析，驗證了理論的可行性。具有較強的適用性。
參考文獻
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