单片开关电源设计论文_优秀论文

1、 单片开关电源设计论文摘要：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TOPSwithTheWayofQuickDesignforSinglechipSwitchingPowerSupplyAbctract:Threeendssinglechipswitchingpowersupplyisnewtypeswitchingpowersupplycorewhichhasbeenpopularsince1990.Thispaperintroducesquickdesignforsinglechipswitchingpowersupp

2、ly.Keywords:Singlechipswitchingpowersupply,Quickdesign,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

3、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, 23

4、0V15。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）。2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,

5、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,

6、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

7、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。

8、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

9、=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UiminUimin时K1, 即POPO, 这表明原来选中的芯片此时已具

10、有更大的可用功率, 必要时可选输出功率略低的芯片。当Uimin（3）设初级电压为UOR, 其典型值为135V。但在Uimin现将对输出功率进行修正的工作程序归纳如下：（1）首先从图5、图6中选择适用的特性曲线, 然后根据已知的Uimin值查出折算系数K。（2）将PO折算成Uimin为规定值时的等效功率PO, 有公式PO=PO/K（2）（3）最后从图1图4中选取适用的关系曲线, 并根据PO值查出合适的芯片型号以及、PD参数值。下面通过一个典型的实例来说明修正方法。例4：设计12V, 35W的通用开关电源已知Uimin=85V, 假定Uimin=90115V=103.5V。从图5中查出K=1.15

11、。将PO=35W、K=1.15一并代入式（2）中, 计算出PO=30.4W。再根据PO值, 从图2上查出最佳选择应是TOP224型芯片, 此时=81.6, PD=2W。若选TOP223, 则降至73.5,PD增加到5W, 显然不合适。倘若选TOP225型, 就会造成资源浪费, 因为它比TOP224的价格要高一些, 且适合输出40W60W的更大功率。32相关参数的修正及选择（1）修正初级电感量在使用TOPSwitchII系列设计开关电源时, 高频变压器以及相关元件参数的典型情况见表1, 这些数值可做为初选值。当UiminLP=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