单片开关电源的快速设计法.doc

单片开关电源的快速设计法 摘要：单片开关电源是国际上90年代才开始流行的新型开关电源芯片。本文阐述其快速设计方法。关键词：单片开关电源快速设计TOPSwith The Way of Quick Design for Single chip Switching Power Supply Abctract:Three ends single chip switching power supply is new type switching power supply core which has been popular since 1990.This paper introduces quick design for single chip switching power supply.Keywords:Single chip switching power supply,Quick design,Topswith 在设计开关电源时，首先面临的问题是如何选择合适的单片开关电源芯片，既能满足要求，又不因选型不当而造成资源的浪费。然而，这并非易事。原因之一是单片开关电源现已形成四大系列、近70种型号，即使采用同一种封装的不同型号，其输出功率也各不相同；原因之二是选择芯片时，不仅要知道设计的输出功率PO，还必须预先确定开关电源的效率和芯片的功率损耗PD，而后两个特征参数只有在设计安装好开关电源时才能测出来，在设计之前它们是未知的。下面重点介绍利用TOPSwitchII系列单片开关电源的功率损耗（PD）与电源效率（）、输出功率（PO）关系曲线，快速选择芯片的方法，可圆满解决上述难题。在设计前，只要根据预期的输出功率和电源效率值，即可从曲线上查出最合适的单片开关电源型号及功率损耗值，这不仅简化了设计，还为选择散热器提/(Uimin=85V)中图法分类号：TN86文献标识码：A文章编码：02192713(2000)0948805PO/W图1宽范围输入且输出为5V时PD与，PO的关系曲线图2宽范围输入且输出为12V时PD与，PO的关系曲线图3固定输入且输出为5V时PD与，PO的关系曲线供了依据。1TOPSwitchII的PD与、PO关系曲线TOPSwitchII系列的交流输入电压分宽范围输入（亦称通用输入），固定输入（也叫单一电压输入）两种情况。二者的交流输入电压分别为Ui=85V265V，230V15。11宽范围输入时PD与，PO的关系曲线TOP221TOP227系列单片开关电源在宽范围输入（85V265V）的条件下，当UO=5V或者12V时，PD与、PO的关系曲线分别如图1、图2所示。这里假定交流输入电压最小值Uimin=85V，最高/(Uimin=85V)/(Uimin=195V)交流输入电压Uimax=265V。图中的横坐标代表输出功率PO，纵坐标表示电源效率。所画出的7条实线分别对应于TOP221TOP227的电源效率，而15条虚线均为芯片功耗的等值线（下同）。12固定输入时PD与、PO的关系曲线TOP221TOP227系列在固定交流输入（230V15）条件下，当UO=5V或12V时，PD与、PO的关系曲线分别如图3、图4所示。这两个曲线族对于208V、220V、240V也同样适用。现假定Uimin=195V,Uimax=265V。2正确选择TOPSwitchII芯片的方法利用上述关系曲线迅速确定TOPSwitchII芯片型号的设计程序如下：（1）首先确定哪一幅曲线图适用。例如，当Ui=85V265V，UO=5V时，应选择图1。而当Ui=220V(即230V230V4.3)，UO=12V时，就只能选图4；（2）然后在横坐标上找出欲设计的输出功率点位置（PO）；（3）从输出功率点垂直向上移动，直到选中合适芯片所指的那条实曲线。如不适用，可继续向上查找另一条实线；（4）再从等值线（虚线）上读出芯片的功耗PD。进而还可求出芯片的结温（Tj）以确定散热片的大小；（5）最后转入电路设计阶段，包括高频变压器设计，外围元器件参数的选择等。下面将通过3个典型设计实例加以说明。例1：设计输出为5V、300W的通用开关电源通用开关电源就意味着交流输入电压范围是85V265V。又因UO=5V，故必须查图1所示的曲线。首先从横坐标上找到PO=30W的输出功率点，然后垂直上移与TOP224的实线相交于一点，由纵坐标上查出该点的=71.2，最后从经过这点的那条等值线上查得PD=2.5W。这表明，选择TOP224就能输出30W功率，并且预期的电源效率为71.2,芯片功耗为2.5W。若觉得=71.2的效率指标偏低，还可继续往上查找TOP225的实线。同理，选择TOP225也能输出30W功率，而预期的电源效率将提高到75，芯片功耗降至1.7W。根据所得到的PD值，进而可完成散热片设计。这是因为在设计前对所用芯片功耗做出的估计是完全可信的。例2：设计交流固定输入230V15，输出为直流12V、30W开关电源。图4固定输入且输出为12V时PD与，PO的关系曲线/(Uimin=195V)图5宽范围输入时K与Uimin的关系图6固定输入时K与Uimin的关系根据已知条件，从图4中可以查出，TOP223是最佳选择，此时PO=30W，=85.2，PD=0.8W。例3：计算TOPswitchII的结温这里讲的结温是指管芯温度Tj。假定已知从结到器件表面的热阻为RA(它包括TOPSwitchII管芯到外壳的热阻R1和外壳到散热片的热阻R2)、环境温度为TA。再从相关曲线图中查出PD值，即可用下式求出芯片的结温：Tj=PDRATA(1)举例说明，TOP225的设计功耗为1.7W，RA=20/W，TA=40，代入式（1）中得到Tj=74。设计时必须保证，在最高环境温度TAM下，芯片结温Tj低于100，才能使开关电源长期正常工作。3根据输出功率比来修正等效输出功率等参数31修正方法如上所述，PD与，PO的关系曲线均对交流输入电压最小值作了限制。图1和图2规定的Uimin=85V，而图3与图4规定Uimin=195V（即230V230V15）。若交流输入电压最小值不符合上述规定，就会直接影响芯片的正确选择。此时须将实际的交流输入电压最小值Uimin所对应的输入功率PO，折算成Uimin为规定值时的等效功率PO，才能使用上述4图。折算系数亦称输出功率比（PO/PO）用K表示。TOPSwitchII在宽范围输入、固定输入两种情况下，K与Umin的特性曲线分别如图5、图6中的实线所示。需要说明几点：（1）图5和图6的额定交流输入电压最小值Uimin依次为85V，195V，图中的横坐标仅标出Ui在低端的电压范围。（2）当Uimin>Uimin时K>1，即PO>PO，这表明原来选中的芯片此时已具有更大的可用功率，必要时可选输出功率略低的芯片。当Uimin LP=KLP（3）查表1可知，使用TOP224时，LP=1475H。当K=1.15时，LP=1.151475=1696H。表2光耦合器参数随Uimin的变化最低交流输入电压Uimin(V)85195LED的工作电流IF（mA）3.55.0光敏三极管的发射极电流IE（mA）3.55.0（2）对其他参数的影响当Uimin的规定值发生变化时，TOPSwitchII的占空比亦随之改变，进而影响光耦合器中的LED工作电流IF、光敏三极管发射极电流IE也产生变化。此时应根据表2对IF、IE进行重新调整。TOPSwitchII独立于Ui、PO的电源参数值，见表3。这些参数一般不受Uimin变化的影响。表3独立于Ui、PO的电源参数值独立参数典型值开关频率f(kHz)100输入保护电路的箝位电压UB(V)200输出级肖特基整流二极管的正向压降UF(V)0.4初始偏置电压UFB(V)16（3）输入滤波电容的选择参数TOP221TOP222TOP223TOP224TOP225TOP226TOP227高频变压器初级电感LP(H)86504400220014751100880740高频变压器初级泄漏电感LPO(H)1759045