采用TOPSwitch的单端正激式电源的电路分析与设计.doc

采用TOPSwitch的单端正激式电源的电路分析与设计TOPSwitch是美国功率集成公司（PI）于20世纪90年代中期推出的新型高频开关电源芯片，是三端离线PWM开关（ThreeterminalofflinePWMSwitch）的缩写。它将开关电源中最重要的两个部分PWM控制集成电路和功率开关管MOSFET集成在一块芯片上，构成PWM/MOSFET合二为一集成芯片，使外部电路简化，其工作频率高达100kHz，交流输入电压85265V，AC/DC转换效率高达90。对200W以下的开关电源，采用TOPSwitch作为主功率器件与其他电路相比，体积小、重量轻，自我保护功能齐全，从而降低了开关电源设计的复杂性，是一种简捷的SMPS（SwitchModePowerSupply）设计方案。TOPSwitch系列可在降压型，升压型，正激式和反激式等变换电路中使用。但是，在现有的参考文献以及PI公司提供的设计手册中，所介绍的都是用TOPSwitch制作单端反激式开关电源的设计方法。反激式变换器一般有两种工作方式：完全能量转换（电感电流不连续）和不完全能量转换（电感电流连续）。这两种工作方式的小信号传递函数是截然不同的，动态分析时要做不同的处理。实际上当变换器输入电压在一个较大范围发生变化，和（或者）负载电流在较大范围内变化时，必然跨越两种工作方式，因此，常要求反激式变换器在完全能量和不完全能量转换方式下都能稳定工作。但是，要求同一个电路能实现从一种工作方式转变为另一种工作方式，在设计上是较为困难的。而且，作为单片开关电源的核心部件高频变压器的设计，由于反激式变换器中的变压器兼有储能、限流、隔离的作用，在设计上要比正激式变换器中的高频变压器困难，对于初学者来说很难掌握。笔者采用TOP225Y设计了一种单端正激式开关电源电路，实验证明该电路是切实可行的。下面介绍其工作原理与设计方法，以供探讨。1 TOPSwitch系列应用于单端正激变换器中存在的问题TOPSwitch的交流输入电压范围为85265V，最大电压应力700V，这个耐压值对于输入最大直流电压Vmax=2651.4=371V是足够的,但应用在一般的单端正激变换器中却存在问题。图1是典型的单端正激变换器电路，设计时通常取NS=NP，Dmax0.5（一般取0.4）,按正激变换器工作过程,TOPSwitch关断期间，变压器初级的励磁能量通过NS，D1，E续流（泄放）。此时，TOPSwitch承受的最大电压为VDSmax2E=2Vmax=742V （1）大于TOPSwitch所能承受的最大电压应力700V，所以，TOPSwitch不能在一般通用的正激变换器中使用。2 TOPSwitch在单端正激变换器中的应用由式（1）可知，TOPSwitch不能在典型单端正激变换器中应用的关键问题，是其在关断期间所承受的电压应力超过了允许值，如果能降低关断期间的电压应力，使它小于700V，则TOPSwitch仍可在单端正激变换器中应用。2.1 电路结构及工作原理本文提出的TOPSwitch的单端正激变换器拓扑结构如图1所示。它与典型的单端正激变换器电路结构完全相同,只是变压器的去磁绕组的匝数为初级绕组匝数的2倍,即NS=2NP。 TOPSwitch关断时的等效电路如图2所示。若NS与NP是紧耦合，则，即VNP=1/2VNS=1/2E （2）VDSmax=VNPE=E=1.5371=556.5V1.7A。所以，我们选择ILIMIT=2A的TOP225Y。4 实验指标及主要波形输入AC220V，频率50Hz，输出DCVo=15(11)V，IO=1.5A，工作频率100kHz，图3及图4是实验中的主要波形。图3中的1是开关管漏源