一种基于TOP202Y的单片开关电源设计.doc

一种基于top202y的单片开关电源设计1. 摘要科技在不断地发展，随着人们对电源的要求越来越苛刻，开关电源已经越来越多的应用在各个领域，而采用pwm控制器和mosfet功率开关一体化的集成控制芯片则是新一代开关电源设计的重要特点和趋势。本文介绍美国动力公司（power）于九十年代中期研制推出的三端pwm/mosfet二合一集成控制器件top switch系列的一种基于top202y的单片开关电源的主要工作性能及原理，将它与top switch相匹配的高频功率变压器在笔记本电池充电器中的应用，并对其进行了分析，得出了相应的结论。关键词：开关电源 集成控制器 高频功率变压器 单片开关电源 2. 引言简单的说，开关电源就是利用电子开关器件（如晶体管、场效应管、可控硅闸流管等），通过控制电路，使电子开关器件不同的“接通”和“关断”，让电子开关器件对输入 进行脉宽调制，从而实现dc/dc、dc/ac电压变换，以及输出电压可调和自动稳压。开关电源自20世纪70年代开始应用以来，涌现出许多个完备的集成控制电路，使开关电源电路日益简化，工作频率不断提高，效率大大提高，并为电源小型化提供了广阔的前景。三端离线式脉宽调制单片开关集成电路top(three terminal off line)将pwm控制器与功率开关mosfet合二为一封装在一起。已成为开关电源ic发展的主流。采用top开关集成电路设计开关电源，可使电路大为简化，体积进一步缩小，成本降低。单片电源具有单片集成化、最简外围电路、最佳性能指标、能构成无工频变压器开关电源等显著优点。mosfet功率开关、pwm控制器和高频功率变压器是开关电源必不可少的组成部分。其中,特别是pwm控制器和变压器的设计是开关电源设计的关键。传统开关电源设计一般均采用分立的mosfet功率开关和多引脚的pwm集成控制器,电路的结构非常复杂,系统的稳定性不够理想,分立的mosfet功率开关对开关电源的效率亦有限制。为了解决传统开关电源设计面临的这些难题,90年代以来,出现了将开关电源中最重要的两个部分pwm集成电路和mosfet功率开关,集成在同一块芯片上,构成pwm/mosfet二合一集成芯片的趋势,二合一集成控制芯片的问世,降低了开关电源设计的复杂性,减少了开关电源设计所需的时间,从而大大加快了产品进入市场的速度。top switch系列器件是三端脱线式pwm开关（three terminal off line pwm switch）的英文缩写。top202y是top switch系列器件的其中一种型号，top switch系列器件仅用了三个管脚就将脱线式开关电源所必需的具有通态可控栅极驱动电路的高压n沟道功率的mos场效应管、电压型pwm控制器、100khz高频振荡器、高压启动偏置电压、带隙基准、用于环路补偿的并联偏置调整器以及误差放大器和故障保护功能电路全部组合在一起。采用top switch器件的开关电源与采用分立的mosfet功率开关及pwm集成控制器的开关电源相比，具有以下特点：1）成本低廉；2）系统效率高；3）电源设计简单；4）应用灵活性高；5）功能完善的系统级故障保护。top switch系列器件可在降压型、升压型、正激和反激式功率变换电路中使用。1） 降压型（buck）功率变换电路降压型功率变换电路是最简单的pwm型dc/dc功率变换电路,动态特性较好。但是,降压型功率变换电路的缺点是输入电流为脉动的,极易产生电磁干扰；稳态电压比小于1,故只能降压不能升压,且只能提供单个输出,不能提供多路输出。2） 升压型（boost）功率变换电路同降压型功率变换电路相比,升压型功率变换电路输入电流是连续的,输入源的电磁干扰减轻了。但是升压型功率变换电路输出侧电流是脉动的,输出纹波较大，升压型功率变换电路只能升压而不能降压，同样只能提供单个输出,不能提供多路输出。3） 正激式（forward）功率变换电路正激式功率变换电路是具有直流隔离的降压型功率变换电路。由于加入了变压器,正激式功率变换电路不但实现了输入和输出的直流隔离,而且不再受降压型功率变换电路输出电压小于输入电压的限制,并可提供多路电压输出。4） 反激式（feedback）功率变换电路反激式功率变换电路同样具有直流隔离功能。反激式功率变换电路中的变压器,除了起隔离作用之外,还具有储能的功能。理想情况下,初级和次级线圈中不会同时有电流存在。反激式功率变换电路输出电压不受输入电压的限制,亦可提供多路电压输出。在设计脱线、隔离式开关电源时反激式功率变换电路相对而言是一个最优的选择。此外,大多数功率变换电路还需要电感来存储能量并作为输出脉宽调制波形的低通滤波器。反激式功率变换电路则不需要额外的电感,因为电路中的变压器可同时实现直流隔离、能量存储和电压转换的功能,所以相对于其他隔离式功率变换电路,反激式变换电路的元器件数目,特别是磁性元件的数目最少,在小功率应用中,成本低廉,颇具吸引力。不过,当功率达到100w,输出电流接近10a后,电路元器件所承受应力的增大,使成本迅速增加,系统总成本可能会高于其他电路拓扑结构。若在反激式功率变换电路的变压器上增加“反馈”线圈,则可直接得到与输出电压成正比的反馈电压。这表示在初级电路中即可实现对次级电路的控制,不需要在初级电路和次级电路中使用光电耦合器或其他隔离的控制设备。反激功率变换电路中的变压器,从严格意义上讲只是相互耦合的电感。由于耦合电感直接牵涉到电、磁能量的转换,所以磁性元件和磁路的设计,特别是变压器的设计十分复杂。3. top202y的主要性能特点和工作原理3.1性能特点1）将脉将脉宽调制（pwm）控制系统的全部功能集成到三端芯片中，内含脉宽调制器、功率开关场效应管（mosfet）、自动偏置电路、保护电路、高压启动电路和环路补偿电路，通过高频变压器使输出端与电网完全隔离，真正实现了无工频变压器、隔离式开关电源的单片集成化，使用安全可靠。2）采用漏极开路输出，并利用控制极反馈电流ic来线性调节占空比实现ac/dc变换的，即属于电流控制型单片开关电源。3）输入交流电压和频率的范围极宽。作固定电压输入时可选110v/115v/230v交流电，允许变化15%；在宽电压范围输入时，适配85v-265v交流电，但输出功率峰值pom值要比前者降低40%。4）它只有三个引出端，能以最简方式构成无工频变压器的单端反激式开关电源。开关频率的典型值为100khz，允许范围是90k110khz，占空比调节范围是1.7%-67%。5）外围电路简单，电磁干扰小，成本低廉。由于芯片本身功耗很低，电源效率可达80%左右，最高可达90%。3.2 结构top开关集各种控制功能、保护功能及耐压700v的功率开关mosfet于一体，采用to-220或8脚dip封装。少数采用8脚的top开关，除d、c两引脚外，其余6脚实际在一起作为s端，故仍系三端元件。top202的管脚排列如图 1所示。它有3种封装形式。其中，top-220封装有3个引脚。dip-8封装及smd封装各有8个引脚，但均可简化为3个。管脚定义如下： 图1为top switch管脚排列图漏极漏极是内装mosfet的漏极，也是内部电流的监测点，启动操作时，漏极端由一个内部电流源提供内部偏置电流。源极连接内部mosfet的源极，同时是top开关及开关电源初级电路的公共接地点及基准点。控制极误差放大电路和反馈电流的输入端。在正常工作时，由内部并联调整器提供内部偏置。系统关闭时，可激发输入电流，同时也是提供旁路、自动重启和补偿功能的电容连接点。控制端有4个作用：1） 利用控制ic电流的大小来调节占空比；2） 为芯片提供正常工作的偏流；3） 决定自动重启动的频率；4） 对控制回路进行补偿。3.3 top202y的工作原理top202y同top switch系列的其他产品一样，内部结构基本相同，如图2所示，包括10个部分，其中zc 控制端的动态阻抗，re是误差电压检测电阻。ra和ca构成截止频率为7khz的低通滤波器，主要特点是：前沿消隐设计，延迟了次级整流二极管反向回府产生的尖峰电流冲击；自动重启动功能，以典型值为5%的自动重启动占空比接通和关断；低电磁干扰性（emi）,top系列器件采用了与外壳的源极相连，使金属底座及散热器的dv/dt=0.从而降低了电压型控制方式与逐周期峰值电流的限制。下面简要叙述其10个组成部分：图2 top202y内部结构图1) 控制电压源。控制电压vc能向并联调整器和门驱动极提供偏置电压，而控制端电流ic则能调节占空比。控制端的总电容用ct表示，由它决定自动重启动的定时，同时控制环路的补偿。vc有两种工作模式：一种是滞后调节，用于启动和过载两种情况，具有延迟控制作用；另一种是并联调节，用于分离误差信号与控制电路的高压电流源。刚启动电路时由d、c极之间的高压电流源提供控制端电流ic，以便给控制电路供电并对ct充电。2) 带隙基准电压源。带隙基准电压源除向内部提供各种基准电压外，还产生一个具有温度补偿并可调整的电流源，以保证精确设定振荡器频率和门极驱动电流。3) 振荡器。内部振荡电容式在设定的上、下阀值uh、ul之间周期性地线性充放电，以产生脉宽调制器所需要的锯齿波（saw）,与此同时还产生最大占空比（dmax）信号和时钟信号（clock）。为减少电磁干扰，提高电源效率，振荡频率（即开关频率）设计为100khz，脉冲波形的占空比设定为d。4) 并联调整器/误差放大器。误差放大器的增益由控制端的动态阻抗zc来设定。zc的变化范围是10-20，典型值为15。误差放大器将反馈电压vf与5.7v基准电压进行比较后，输出误差电流ir,在re上形成误差电压vr。5) 脉宽调制器（pwm）。脉宽调制器是一个电压反馈式控制电路，它具有两层含义：一是改变控制电流ic的大小，即可调节占空比d，实现脉宽调制；二是误差电压vr经由ra、ca组成截止频率为7khz的低通滤波器，滤掉开关噪声电压之后，加至pwm比较器的同相输入端，再与锯齿波电压vj进行比较，产生脉宽调制信号vb。6) 门驱动级和输出级。门驱动级（f）用于驱动功率开关管（mosfet）,使之按一定速率导通，从而将共模电磁干扰减到最小。漏-源导通电阻与产品型号和芯片结温有关。mosfet管的漏-源击穿电压v(bo)ds700v。7) 过电流保护电路。过流比较器的反相输入端接阀值电压vlimit,同时输入端接mosfet管的漏极。此外，芯片还具有初始输入电流限制功能。刚通电时可将整流后的直流限制在0.6a或0.75a。8）过热保护电路。当芯片结温tj135c时，过热保护电路就输出高电平，将触发器置位，q=1, =0,关断输出级。此时进入滞后调节模式，vc端波形也变成幅值为4.7-5.7v的锯齿波。若要重新启动电路，需断电后再接通电源开关，或者将控制端电压降至3.3v以下，达到vc(reset)值，再利用上电复位电路将触发器置零，使mosfet恢复正常工作。9）关断/自启动电路。一旦调节失控，关断/自动重启动电路立即使芯片在5%占空比下工作，同时切断从外部流入c端的电流，vc再次进入滞后调节模式。倘若故障以排除，vc又回到并联调节模式，自动重启动电源恢复正常工作。自动重启动的频率是1.2hz。10）高压电流源。在启动或滞后调节模式下，高压电流源经过电子开关s1给内部电路提供偏置，并且对ct进行充电。电源正常工作时s1改接内部电源，将高压电流源关断。 当top开关启动操作时，在控制端环路振荡电路的控制下，漏极端有电流流入芯片，提供开环输入。该输入通过旁路调节器、误差放大器时，由控制端进行闭环调节，改变ir，经由pwm控制mosfet的输出占空比，最后达到动态平衡。4、设计实例：笔记本电脑电池充电器随着科技的不断发展，笔记本电脑的电池会由外置变为内置，这就需要电压的下降来支持，而电压的下降又是需要电源供电的可靠性来提供的，这就对电池充电器的要求越来越高，恒功率型单片开关电源对于笔记本电池的充电可靠性提供了保障。恒功率型单片开关电源的特点是：当输入电压uo降低时，利用恒功率控制电路迫使输出电流io增大，使二者乘积iouo不变，输出功率po保持恒定。这种开关电源可作为高效、快速、安全的电池充电器，对笔记本电池进行充电。恒功率输出特性曲线近似为一条双曲线。 top202y构成的15v、15w横功率型开关电源电路如图4所示。输入电压从15v（即100%uo）降至7.5v（即50%uo）时，恒功率准确度可达10%。恒功率控制电路由vt1、vt2、vdz3-vdz4、r1-r7构成。vt1工作在饱和区。vt1和vt2应选参数一致性很好的3dk4b型开关管。r1为电流检测电阻，vt2用来监视r1上的电压降。该电路具有很好的温度补偿特性，能对vt1、vt2的偏压以及输出电压进行温度补偿。 图4 15w恒功率型开关电源的电路在本设计中，由于top202y芯片集成度高，设计工作主要是外围电路的设计。外围电路基本分为输入整流滤波电路、钳位保护电路、高频变压器、输出整流滤波电路、恒功率控制电路等部分。4.1 输入整流滤波电路设计 输入整流滤波电路包括交流滤波、整流、电容稳压三部分。图5 top202y为整流滤波电路 交流滤波采用技术成熟的型滤波电路，具体参数如下：去除差模干扰的 c8 、 c9为0.1f/250v；去除共模干扰的c10 、c11 为10nf；滤波线圈 l1 为1033mh,采取双线并绕。整流电路选择不可控的整流桥，整流二极管的反向耐压应大于400v，其承受的冲击电流应大于额定整流电流的710倍。还应注意，选定的整流二极管的稳态电流容量应为计算值的两倍。 本设计中,选择800v/3a的整流桥，或选用四个in4007作整流二极管构成整流桥。在当前的供电条件下，电容 c1 的值可根据输出功率按照1f /w来取值，再考虑余量后，取 c1 =22f/400v。交流电压输入范围为187v253v，即 =187v, =253v假设整流桥中二极管导通时间为tc=3ms，可由下两式可得输入直流电压最小值和最大值为：式中 系统效率，可选择80%； 交流电网频率； p0 电源输出功率。4.2 箝位保护电路设计 图6为箝位保护电路当top202y的功率mosfet管由导通变为截止时，在高频变压器t的初级绕组上会产生尖峰电压和反射电压，其中尖峰电压是由于高频变压器存在漏感而形成，它与直流高压和反射电压叠加后很容易损坏mosfet管。为此，必须设计箝位保护电路，对尖峰电压进行箝位和吸收。图6中vd1和vd2构成的箝位电路可防止高压对top202y的损坏，vd1与vd2的选择由反射电压决定 。一般 取135v，vd1箝位电压可由经验公式 得出， vd2的耐压值应大于最大直流输入电压。本设计中vd1采用反向击穿电压为200v的tvs(瞬态电压抑制器) p6ke200，vd2采用反向耐压为600v的超快恢复二极管byv26c。 4.3变压器设计1）选磁芯 图7为变压器绕组为满足top202y芯片100khz的工作频率，选用锰锌铁氧体材料的磁芯。通常，输出功率和磁芯截面积有下面的经验公式： 式中 变压器磁芯的有效截面积（cm2）； 电源的输出功率（w）； 变压器的效率，一般取85%。 根据经验公式的计算，选择ei-28铁氧体磁芯，其有效截面积大于 的计算值。 2）计算最大占空比式中:一次级反射到初级的反射电压，取135v； mosfet的漏源极通态电压，取10v。 3）计算变压器的初级自感式中: 开关频率，取100 khz； 电源效率，可取80%。 4）计算初、次级绕组匝数对于ac220v固定输入，次级绕组应取0.6匝/v，输出电压 vo =15v，故求得次级绕组匝数为： 匝（取整后）初级绕组匝数为： 匝（取整后）反馈绕组匝数为： 匝（取整后）初级反射电压；取135v； 反馈电压，取为10.4v。 5）计算气隙长度式中： 气隙长度(mm)常数，410-7h/m 磁芯截面积(mm2)这里应注意：如果在中心柱开气隙，则高度为lg；为了达到同样效果且简单易行，在两个外柱上应各垫1/2lg高度的绝缘垫片。6）确定导线线径 在100khz开关频率下，铜导线的穿透深度是0.21mm，故所选导线的直径要小于0.42mm。通过计算各绕组的平均电流（iavg）、峰值电流（ip）、均方根电流（irms）可确定出所用导线的线径。本设计中初级绕组和反馈绕组用线径0.31mm的导线单股绕，次级绕组用线径为0.35mm的导线双股并绕。4.4 输出整流滤波电路的设计图8为输出滤波电路 输出整流滤波电路由整流二极管和滤波电容构成。选用肖特基二极管作为整流二极管可以降低正向导通损耗,此外，在降低反向恢复损耗以及消除输出电压中的纹波方面也有明显的性能优势。选取的原则是根据最大反向峰值电压。次级绕组的反向峰值电压 为 : 式中: 次级绕组输出电压； 输入交流电压最大值 本设计中整流二极管选用mur420,其反向电压值vr=200v,工作电流id=4a，满足设计要求。对输出滤波电容，esr（等效串联阻抗）和纹波电流是它的两个重要参数。当电容两端电压小于35v时，esr只与电容的体积有关,本设计选择细高型的120f/35v低esr电容。输出滤波电感采用3.3h的穿心电感，它是近年来问世的一种超小型的非晶合金磁性材料，又叫磁珠电感。其外形呈管状，引线穿心而过，其直流电阻非常小。它能主动抑制开关噪声的产生。为减少共模干扰，在输出的地与高压侧的地之间接共模抑制电容。4.5恒功率控制部分图9为恒功率控制电路恒功率控制电路由5部分组成：1） 电压调节电路（ic2、vdz2、r5），利用带稳压管的光耦反馈电路使uo在恒压区内保持恒定。2） 电压补偿电路（vdz3、r6、r4），可对vt2的发射结电压ube2进行补偿。3） 电流检测电阻（r1）。4） 带温度补偿的偏压电路（vt1、r2），其作用是给vt2提供偏置电压ub1，它的发射结压降ube1和 ube2相等且具有相同的温度系数。5） 恒流源电路（vdz4、r7、r3），给偏压电路提供恒定的集电极电流ic1.当io较小时，vt2截止，而vdz2处于稳压区，开关电源工作在恒压方式下，uo=15v，此时恒功率电路不工作。设vt2的基极偏压为ub2，仅当ub2+ ur1= ube2时，vt2才开始导通，而vdz2立即截止，电路就从恒压控制迅速转入恒功率控制，并按下述正反馈工程uo io ur1 if ic d io,使po保持不变。4. 分析和结论通过对三端脱线式pwm开关top switch系列器件的研究，将mosfet功率开关和pwm控制器集成在一块芯片中，组成单片式开关电源，使得开关电源的效率和稳定性大幅度提高,同时大大降低了开关电源的成本、体积、重量。对于top202y构成的恒功率型开关电源，通过分析使自己加深了对开关电源的认识，并通过对