基于TOPSwitch_GX系列芯片的开关电源设计与实现_张丹红.pdf

1、基于 TOPSw itch-GX系列芯片的 开关电源设计与实现*张丹红, 李 乐 (武汉理工大学自动化学院,湖北武汉 430070)摘 要:介绍了美国 Pow er Integration 公司最新研制的开关电源集成芯片 TO P-Sw itch-GX 系列的主要特点, 设计了一款基于此系列芯片的多路输出单端反激式开关电 源, 阐述了设计的主要步骤, 给出了设计注意事项及试验结果。关键词:开关电源;反激式;脉宽调制;设计中图分类号:TN 86 文献标识码:B 文章编号:1001-5531(2006)07-0032-04Design and Realization of Sw itching P

2、ower Supply Based on TOPSw itch-GX Fam ily Ch ip第一作者:张丹红(1968-), 女, 副教 授, 从事智能控制 理论与应用、电源 技术的研究。ZHANG Dan-hong, LI Le(Schoo l ofAu tom ation, W uhan Unive rsity o f Science and Techno logy, W uhan 430070, China)Abstract:The m ain charac teristics o f the new TO PSw itch-GX w hich is an in teg ra ted

3、 sw itched m ode pow er supply ch ip produced by Powe r Integration co rpo ra tion o f United S tates w ere introduced. The de sign o f m ultiple ou tput single ended flyback sw itch ing pow er supp ly w ith GX series w as proposed. The ch ie f steps o f the pro je ctw ere exp la ined in deta il. F

4、ina lly, the key po intsw hich shou ld be pa id a tten tion to during the design and the expe rim en t resultw ere g iven.Key w ords:sw itching power supply;flyback;pulse w idth m odula tion (PWM);design0 引 言TOPSw itch-GX 系列开关电源集成芯片是美 国 Powe r In tegra tion公司最新推出的一组功能芯 片 ,可广泛应用于各种中、小功率开关电源及电源 模块中。GX

5、 系列产品继承了前任 TOPSw itch 系 列效率高、设计简化、成本低廉等优点 , 在内部电 路和功能上作了重要改进 ,使输出功率显著提高, 保护功能更加完善, 使用也更加灵活和方便。本 文结合一个设计实例介绍该系列芯片的使用。1 脉宽调制高频开关电源原理脉宽调制高频开关电源原理如图 1所示 1 , 交流输入电压经过滤波消除干扰后进入整流桥, 输出包含较大纹波的直流电压 , 经大电容滤波得 到较为平滑的直流高压。通过脉宽调制控制直流图 1 脉宽调制高频开关电源原理框图变换器的功率开关管 ,在变换器二次侧得到高频 矩形波电压 ,再经过输出整流滤波器得到直流输 出电压。脉宽调制器是此类变换器控

6、制电路的核 心 ,在由比较取样、误差放大、占空比控制所组成 的闭环中,取样的输出电压与参考电压相比较进 入误差放大器。误差放大器通过改变开关管驱动 信号的脉冲宽度 ,实现对输出电压的控制 ,得到所 需电压等级的稳定电压输出。*基金项目 :武汉市青年科技晨光计划基金资助项目 (20035002016-05) 32 2 GX 系列芯片的主要特点由脉宽调制高频开关电源原理可知, 脉宽调 制器是整个脉宽调制高频开关电源控制电路的核 心。 TOPSw itch-GX系列开关电源芯片就是将高 电压功率 MOSFET、脉宽调制控制、故障保护以及 其他的控制电路集成在单片 CMOS芯片上的低成 本、高灵活性的

7、智能功率开关。它具如下突出特 点 :(1)最大输出功率可以扩展到 250W ; (2)外部可编程精确限流 ; (3)更宽的占空比使得输出功率更大, 输入电容减小; (4)欠压过压保护;(5)线路前馈缩小了最大占空比 Dmax , 抑制 了脉动纹波 ,并在输入线电压较高时限制 Dmax ; (6)频率抖动功能减少了电磁干扰以及相应的滤波器损耗;(7) 132 kH z的开关频率减少了变压器的尺 寸 ,从而减小了电源的尺寸 ;(8)空载时可降低工作频率 , 使输出电路无 需加假负载 ,降低了能量损耗。3 设计实例3. 1 设计要求输入电压 AC 85 115 V (50 H z), 输出直流 电压

8、分别为 5 V(0. 3 A)、8 V(1 A)以及 3路 15 V(0. 5 A )。 其中 , 5 V 输出的负载调整率为±1 %,其他 4路输出为 ±5 %, 效率 75 %, 纹波 <100 mV。设计的电路能实现欠压、过压保护 并可从外部设定极限电流。3. 2 关键元器件的选择(1)芯片。根据开关电源输出功率要求选择TOP245Y芯片 。该芯片在 AC 85 265 V 输入时 最大输出功率为 60 W , Y型封装(TO-220-7C),可 在芯片上安装散热片 ,以便在高温工作场合使用。(2)高频变压器 。经过反复计算和试验, 选 取用 EC-28磁芯和骨

9、架的铁氧体材料的高频变压 器。磁芯有效截面积为 0. 86 cm2 , 留出的空气隙为 0. 28 mm, 变压器一次侧电感量为 465 H , 变 压器漏感为 7 H, 一次侧反激电压为 100 V,匝数为 37匝 ,二次侧匝数分别为 2、3、6、6、6匝, 偏差绕组(12 V)匝数为 5匝。3. 3 欠压、过压保护以及外部限流的设定Y型封装的 TOPSw itch-GX 系列有 2 个功能 设定引脚:电压检测脚 L 和外部限流脚 X,如图 2 所示。设定电阻 R 2 可以实现欠压、过压保护;设 定电阻 R1 可实现外部限流。图 2 TOP 245Y 欠压、过压、外部限流设定(1)欠压、过压

10、保护。在直流电压正极和芯 片的 L 之间连接一个检测电阻 R 2 , 流经 R2 的电 流大小决定芯片的工作使能。当流过 R2 的电流 值超过欠压触发电流 IUV (50 A )时, 芯片开启工 作 ;当该电流值超过过压触发电流 IOV (225 A) 时 ,芯片停止工作。本例中将 R 2 设定为 2 M,得 到对应的欠压阀值 UUV和过压阀值 UOV分别为:U UV =IUV R 2 =50 A ×2 M =100 VU OV =IOV R 2 =225 A ×2 M =450 V即当电压在 100 450 V 时 , TOP245Y正常工作;若电压 <100 V

11、或 >450 V时 ,芯片分别实现欠压 或过压保护功能 , TOPSw itch关断。另外,设定 R2 还可实现线性前馈功能。若检 测电阻电流 IM (DC) =60 A时 ,功率开关管工作的Dmax =78 %;当检测电流 IOV =225 A 时 ,Dm ax下降到 38 %。即直流电压越高 ,Dmax越小。线性前 馈功能减小了输出电压纹波, 削弱了电源输出对 线路瞬态变化的敏感性。(2)外部限流。通过在外部限流脚 X 和直 流电压负极间连接一个电阻 R1 ,实现对电流限值 的设定。本设计实例中,根据实际限流需要,确定 限流值 Ilimit等于 0. 82 倍的缺省限流值 Ilim

12、it(TOP245Y的最小 Ilim it =1. 67 A)。依照外部限流 电阻和限制电流的特性曲线得到, 当 R1 =8 k时 , Ilimit =0. 82Ilim it =1. 37 A。若一次侧电流超过此值, 则 TOPSw itch-GX 中的电流限值比较器输出 33 高电平 ,依次经过 TOPSw itch-GX 功能框图中的与3. 4 电路原理图门、或门、触发器、主控门、驱动门, 最后让 MOS-系统电路原理图如图 3 所示。输入电压为FET 关断 ,实现过流关断功能 。AC 85 115 V(50 H z),在进线端依次设计了熔图 3 基于 GX 系列芯片开关电源电路原理图丝

13、、压敏电阻 RV1 和热敏电阻 RT 1 , 以便在高电压 和大电流时有效保护输入电路的安全。电容 C1 和扼流圈 L1 构成了一个简易的电磁干扰滤波器, 其中 C1 主要滤除串模干扰 , 而 L1 主要抑制共模 干扰。接在高直流电压与地之间的电容 C6 能滤 除一、二次侧耦合电容产生的共模干扰。经过滤 波的交流电压通过整流桥和大电容 C2 滤波后得 到较为平滑的直流电压 U o 。 TOP245Y 的 L 端电 阻 R2 负责检测 U o 的大小, 当 R2 检测到 U o 到达 100 V 时, 芯片开始工作;而当检测到 Uo 达到 450 V 时, 芯片又会关断, 从而实现欠压、过压保护

14、的 功能。 TOP245Y的脚 F 与脚 S 相连, 设定了开关 管的工作频率为 132 kH z, X端接的 R1 =8 k决定了 Ilimit =1. 37 A。当 TOP245Y 关断且二次侧处于导通状态时, 二次侧电压也会感应到一次侧上 , 与漏感产生的 尖峰电压以及高直流电压相叠加后极易损坏芯 片 ,故必须给一次侧增加由 R4 、C5 、P6KE150 和 HER107组成的钳位吸收电路。其中 P6KE150是钳位电压为 200 V 的瞬态电压抑制器 , HER107 为反向耐压 600 V 的超快恢复二极管。当 MOS-FET 关断瞬间 , 泄漏磁场能量主要通过 R4 和 C5 吸

15、收掉。遇到 TOP245Y启动和过载的情况 ,经过 钳位的电压都能使 MOSFET 的漏极电压小于其 34 700 V 的击穿电压。在 TOP245Y的 MOSFET关断后 ,储存在一次 侧线圈中的能量传输到二次侧, 形成了脉动的直 流电压 ,经过各自绕组输出端的肖特基二极管或 超快二极管、电容、电感整流滤波后得到纹波极小 的直流输出。对于精度要求较高的 5 V 输出, 采 用 TL431 可调式精密并联稳压器和线性光耦 PC 817构成的电气隔离式外部误差放大器, 对 TOP245Y的控制端 C 的电流进行精细调整 ,极大 提高了输出的稳压性能。 5 V 输出经电阻 R7 、R 8 分压后与

16、 TL431参考极 R的 2. 5 V 基准电压相 比较, 从而在阴极 C 形成误差电压 , 经过光耦 PC 817隔离放大 ,在偏差绕组上形成了 TOP245Y 控制端的电流 Ic ,对 MOSFET的占空比进行调控, 达到输出 5 V 电压稳定的目的。3. 5 在印制板设计过程中应注意的问题(1)输入滤波电容 C2 的负极 、脚 S、偏差绕 组返回端之间使用单点连接。这样连接的好处是 可以有效地克服从偏差绕组返回后直接流进输入 滤波电容的浪涌电流。(2) TOP245Y控制端的旁路电容 C4 主要用 来消除噪声。布线时要尽可能靠近脚 S 和脚 C, 并且不被 MOSFET 的开关电流分流。

17、(3)脚 L 或脚 X的路径应越短越好 ,尽量远离漏极以防止噪声耦合。(4)脚 S是控制器的参考地, 因此 ,在布线中 要注意流经 S极的开关电流要通过一条独立的线 路返回到输入电容的负极, 且不被连接到脚 X、L 和 C 的线路分流。(5)针对 Y型封装的 TOP245Y 可加散热片 散热;整流输出二极管的阴极和阳极也需要足够 的敷铜来散热;输出整流管和滤波电容的连通路 径应尽量窄 ,避免整流管将过多的热量传输到电 容。(6)元器件的选择要考虑一定的安全裕量, 保证系统在极端工况下依然可以正常工作。比如 输出整流二极管参数的选择:额定击穿电压 UR 1. 25 PIUS (PIUS 为整流管

18、的最高反向工作电 压 );额定整流电流 ID 3I0 (I0 为最大连续输出电 流 )。(7)线性光耦的电流传输比(CTR)应保证在50 % 200 % 2 。这是因为当 CTR <50 %时 ,光耦中的 LED需要更大的工作电流 IF 才能正确控 制 TOPSw itch-GX 的占空比。若 CTR >200 %, 在启动电路或者负载发生突变时, 可能将 TOP-Sw itch-GX误触发 ,使之关断。4 试验结果对上述设计搭建了试验平台 ,进行了多次试 验调试。当输入电压为 AC 85 115 V (50 H z)时 ,空载和满载时电源效率 80 %,各路输出的 负载调整率都在 ±5 %内 ,满足设计要求。当输入电压为 AC 85 V(50 H z),输出各路带 额定负载时 ,一次侧、二次侧绕组电压以及 5 V 直 流电压输出波形如图 4所示。(a)一次侧绕组电压波形(b) 5 V 二次侧绕组电压波形(c) 5 V 直流输出波形图 4 开关电源主要电压波形图 4(a)为开关电源带额定负载时一次侧绕