TOP223Y开关电源设计

1、多路输出式单片开关电源的电路设计(单片开关电源技术讲座之三)河北科学大学沙占友庞志锋武卫东(石家庄050054)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。本文阐述其多路输出式电路设计方法。关键词：单片开关电源多路输出电路设计中图法分类号：TN86文献标识码：A文章编号：0219-2713(2000)10 -545-04许多家电产品(如电视机、机顶盒解码器、录像机)都需要由多路稳压电源来供电。在电子仪器、自控装 置中也要给各种模拟与数字电路提供多路电源。利用单片开关电源可实现多路电压输出。下面通过一个典 型实例来详细介绍多路输出式开关电源的优化设计。1电路设计方案1. 1确

2、定多路输出的技术指标假定要设计的开关电源具有三路输出：主输出UO1 (5V, 2A, 10W，辅助输出为UO2(12V, 1.2A, 14.4W)和UO3 (30V, 20mA 0.6W)。总输出功率为25W技术指标详见表1。各路输出的稳压性能对于电路结构和高频变压器的设计至关重要。通常，主输出的稳定性要高于辅助输出。现将十5V作为主输出，专门供CMOS TTL数字电路使用，其负载调整率SK + 1%,其余两路优于5%。1. 2确定反馈电路多路输出的反馈电路有四种类型：基本反馈电路；改进型基本反馈电路；配稳压管的光耦反馈电路； 配TL431的光耦反馈电路。以第四种电路的稳压性能为最佳。利用表2

3、可选定反馈电路。需要指出，多路输出要比 单路输出的SI值高，并且主输出指标优行辅助输出。表2可供多路输出选择的四种反馈电路反馈电路类型负载调整率电路说明主输出辅助输出基本反馈电路5%10%在输出端并联一只稳压管，可改善轻载时的负载调整率。改进型基本反馈电 路2.5%10%在反馈电路中增加稳压管和电容。配稳压管的光耦反 馈电路2%5%由稳压管提供参考电压。配TL431的光耦反馈电路1% 4j0VJ0raA4j0VJ0raAT T k3Vk3VMLML K120K120VDVD2UFMXMUFMXMI I仃T T DOOpFDOOpF3iV3iV图1多路输出式25WF关电源的电路(3)配稳压管的光

4、耦反馈电路它是利用一只稳压管的稳定电压作为次级参考电压。由稳压管的稳定电压(UZ)、光耦合器中LED的正向压降(UR)和用于控制环路增益的串联电阻R1上的压降(UR1)这三者之和，来决定输出电压值。当UZ的偏差小于2%时，能将主输出的负载调整率控制在2%以内，该电路的 缺点是参考电压的稳定度不高，并且只对主输出进行反馈，其他各路辅助输出未加反馈，因此辅助输出的 电压稳定性较差。(4)配TL431的多路输出光耦反馈电路其特点是：利用TL431型可调式精密并联稳压器构成次级误差电流放大器，再通过光耦合器对主输出进行精确 的调整；除主输出作为主要的反馈信号之外，其他各路辅助输出也按照一定比例反馈到T

5、L431的2.50V基准端，这对于全面提高多路输出式开关电源的稳压性能具有重要意义，也是单片开关电源的一项新技术。1. 3设计开关电源电路根据上述原则设计成的多路输出式25WF关电源的电路，如图1所示。该电路采用一片TOP223疝三端单 片开关电源，交流输入电压范围是85V265V。高频变压器的次级有3个独立绕组，仅在主输出端(十5V)设计了带TL431的光耦反馈电路。多路输出式开关电源有两种工作方式：(1)不连续模式(DCM ,其优点是在同等输出功率的情况下，高频变压器能使用尺寸较小的磁芯；(2)连续模式(CCM ,其优点是能提高TOPSwitch的利用率。多路输出式开关电源一般选择连续方

6、式，因高频变压器尺寸不再是重要问题，此时需关注的是多个次级绕组如何与印制电路实现最佳配合。2多路输出式高频变压器的设计高频变压器采用EE29型铁氧体磁芯，其有效磁通面积SJ=0.76cm2。留出的磁芯气隙宽度S =0.38mm,骨架 有效宽度为26mm初级绕组采用0.3mm漆包线绕77匝，反馈绕组用0.3mm漆包线绕9匝。次级绕组有两种绕制方法，一种是分离式绕法，图2次级绕组的两种绕制方法（a）分离式绕法（b）堆叠式绕法另一种是堆叠式绕法。表3列出二者的优缺点，可供表3次级绕组两种绕法的比较绕制方法优点缺点分离式绕法排列具有灵活性，可将输出电流较大的某 一路输出靠近初级，能把漏感引起的能量 损

7、失减至最小。1因漏感较大，在输出滤波电容上会产生峰值充电效应，导致轻载下的负载调整率变差。2制造成本较高。3骨架上的引脚较多（共6个）。堆叠式绕法1能加强磁耦合。2能改善轻载时的稳压性能。3骨架上的引脚较少（仅4个）。4制造成本低。1电压最低（或最高）的绕组须靠近初级。2为降低大电流时的漏感缺乏灵活性。参考。图2分别示出它们的结构。分离式的每个绕组上仅传输与该路特定负载有关的电流。因3个次级绕组互相独立，故在确定各绕组的排列顺序上有一定灵活性。现考虑到5V （2A）和12V （1.2A）输出绝大部分的功率，因此可将这两个绕组中的一个靠近初级。最佳排列顺序是先绕5V,再绕12V,最后绕30V,使

8、次级各绕组之间耦合最好，漏感最小。反之，若将30V绕组紧靠初级，由于5V及12V漏感较大，就会降低 电源效率，并且增加干扰。堆叠式绕法是变压器生产厂家经常采用的方法。其特点是由5V绕组给12V绕组提供部分匝数及接地端；而30V绕组中则包含5V、12V绕组和新增加的匝数。各绕组的线径必须满足该路输出电流与其他路输出流过 它上面电流总和的要求。堆叠式绕法的技术先进，不仅能节省导线，减少绕组体积和降低成本，还可增加 绕组之间的互感量，加强耦合程度。举例说明，当5V输出满载，而12V和30V输出轻载时，由于5V兼作12V、30V的一部分，因此能减小这些绕组的漏感，可以避免因漏感使12V和30V输出电路

9、中的滤波电容被尖峰电压充电到峰值（亦称峰值充电效应），而引起输出电压不稳定。堆叠式绕法的不足之处是在确定哪 个次级绕组靠近初级时，灵活性较差。现将5V绕组作为次级绕组的始端。在绕制时，特别推荐将多股导线并联后平行绕在骨架上。这样，能保证良好的覆盖性，增强初级与次级的 耦合程度。在计算次级各绕组的匝数时，可取相同的“每伏匝数”。每伏匝数Nv由下式确定：曲三不Q诟（1）单位是“匝数/V”。将NS=4匝，UO1=5V UF2=0.4V（肖特基整流管压降）代入上式得到，Nv=0.74匝/V。由 此可计算其他绕组的匝数。对于12V输出，已知UO2=12V UF2=0.7V（快恢复整流管压降），因此N12

10、=0.74匝/VX （ 12V+ 0.7V） =9.4匝。实取9匝。对于30V输出，因UO3=30V UF3=0.7V（硅整流管压降）,故N30=0.74匝/VX（30V+ 0.7V） =22.7匝。实取22匝。在选取输出整流管的参数时，应遵循以下原则：管子的额定工作电流（IF）至少为该路最大输出电流的3倍；管子的最高反向工作电压（URM必须高于最低耐压值（UR） o根据上述原则所选输出整流管的型号及 参数，见表4。由表可见，所选整流管的技术指标均留有一定的余量。表4各路输出整流管的选择输出电压规定指标整流管型号与参数最大输出电流（A）最低耐压（V）型号IF (A)VRM(V)5V2.0A30

11、VMBR7457.8A45V12V1.2A70VMUR42C4.0A200V30V20mA170VUF40041.0A400V3多路输出单片开关电源的改进方案图1所示开关电源电路，仅从5V主输出上引出反馈信号，其余各路未加反馈电路。这样，当5V输出图4改进前后负载特性曲线的比较。4-12VI.2A图3由5V和12V输出同时提供反馈的电路的负载电流发生变化时， 会影响12V输出的稳定性。解决方法是给12V输出也增加反馈，电路如图3所示。在12V输出端与TL431的基准端之间并上电阻R6,并将R4的阻值从10k Q增至21kQ。由于12V输出亦提 供一部分反馈信号，因此可改善该路的稳定性。 在改进

12、前，当5V主输出的负载电流从0.5A变化到2.0A（即 从满载电流的25%变化到100%）时，12V输出的负载调整率SI=2%;经改进后，SI=1.5%。改进前后 的负载特性曲线如图4所示。下面介绍12V输出的反馈电路设计方法。12V输出的反馈量由R6的阻值来决定。假定要求12V输出与5V输出的反馈量相等，各占总反馈量的一半，即反馈比例系数K=50%。此时通过R& R4上的电流应相等，即IR6=IR4。TL431的基准端电压UREF=2.50Vl改进前，全部反馈电流通过R4,因此、 &10k10k改进后，50%的电流从R6上通过，池三日辑一仃皿即IR6=250 v A/2=12

13、5 v A。R6的阻值由下式确定：思一元一（2）将UO2=12V UREF=2.50V,IR6=125 v A代入（2）式中得到R6=76kQ ,可取标称阻值75k Q。由于IR4已从将UO1=5V UREF=2.50V,IR4 =125从A代入（3）式中得到，R4=20kQ。考虑到接上R6之后，5V输出的稳定度会略有下降，应稍微增大R4阻值以进行补偿，实取R4=21kQo需要说明两点：K，50%时，可按下式计算R6阻值用一 内口的桂1 1。一.（4）参照上述方法还可以给30V输出增加反馈电路。作者简介沙占友男1944年9月生，河北科技大学教授，已出版专著14部，发表论文110余篇。主要研究方

14、向为数字化测量技术、仪器仪表及特种电源。收稿日期：250 VA减至125 “A,因此还须按下式调整R4的阻值:(3)2000.6.6定稿日期：2000.8.17TOPSwitch单片开关电源的原理与应用编者按虑及当前电源技术的发展，单片型开关电源已开始流行，并且具有强大的生命力，为此我们特邀 国内著名科技图书作者沙占友教授等撰写这篇讲座稿，计划连载5期，以飨读者。本文也是本刊今年第6期P.271集成稳压器的应用技术讲座的继续。（单片开关电源技术讲座之一）河北科技大学沙占友张英黄丽敏（石家庄050054）摘要：三端单片开关电源是目前国际90年代才开始流行的新型开关电源芯片。本文阐述其性能特点、工

15、作原理及两种典型应用电路。关键词：单片开关电源脉宽调制误差放大器光耦反馈The Principle and Application of TOPSwitchSingle chip Switching Power Supply Abctract:Three ends single chip switching power suply is a newtype switching power supply core which has been popular since 1990. This paper introduces propertiesand principle of the core

16、 as well as two types of applicational circuit.Keywords: Single chip switching power supply,PWM,Error amplifler,Optical courling, Feedback中图法分类号：TM94文献标识码：A文章标号：02192713（2000）0842404单片开关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。美国动力（Power）公司在世界上率先研制成功的三端隔离式脉宽调制单片开关电源集成电路，被誉 为“顶级开关电源”。其第一代产品以1994年推

17、出的TOP100/200系列为代表，第二代产品则是1997年问世的TOPSwitch - n o上述产品一经问世便显示出强大的生命力，它极大地简化了150W以下开关电源的设计和新产品的开发工作，也为新型、高效、低成本开关电源的推广与普及创造了良好条件，可广泛用于 仪器仪表、笔记本电脑、移动电话、电视机、VCD和DVD摄录像机、手机电池充电器、功率放大器等领域， 并能构成各种小型化、高密度、在价格上能与线性稳压电源相竞争的ACZDC电源变换模块。1产品分类及性能特点1.1产品分类TOPSwitch包括TOP100系歹U （TOP100FTOP104y , TOP200系歹U （TOP200WTO

18、P202Y TOP214Y , TOP209 /210系列，TOPSwitchII系列（TOP22卜TOP227。TOPSwitch II与第一代产品相比，它不仅在性能 上进一步改进，而且输出功率得到显著提高，现已成为国际上开发中、小功率开关电源及电源模块的优选 集成电路，其产品分类见表1。表1TOPSwitch U的产品分类及最大输出功率POMI位：WTO- 220封装(Y)DIP-8封装(P) /SMD-8封装(G)产品型号固定输入(110/115/230V,AC, 15%)宽范围输入(85V265V,AC)产品型号固定输入(110/115/230V,AC, 15%)宽范围输入(85V26

19、5V,AC)TOP221Y127TOP221P/221G96TOP222Y2515TOP222P/222G1510TOP223Y5030TOP223P/223G2515TOP224Y7545TOP224P/224G3020TOP225Y10060TOP226Y12575TOP227Y150901.2性能特点将脉宽调制(PWM空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、高压启动电路图ITOPSwitch的管脚排列(a) TO-220封装(b) DIP 8封装和SMD-8封装 图2TOPSwitch 口的内部结构 和环路补偿电路，通过高

20、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。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，允许变化土15%;在宽电压范围输入时，适配85V265V交流电，但POM直要比前者降低40%。(HVRTNJ(HVRTNJ(HV(HV RTNJRTNJ(HV(HV RTN)RTN)XIsS11sZ工IssTJsTOPSwitckII只有3个引出端，可以同三端线性集成稳压器相媲美，能以最简方式构成无工频变压器的反激式普通型或精密型开关电源。开关频率的典型值为100kHz,允许范围是90kHz110kHz,占空

21、比调节范围是1.7 %67%。外围电路简单，成本低廉。芯片本身功耗很低，电源效率可达80%左右。2TOPSwitch的工作原理TOPSwitch的管脚排列如图1所示。它有三种封装形式。其中，TO- 220封装有3个引脚。DIP 8封装及SMD- 8封装各有8个引脚，但均可简化成3个。这3个管脚分别为控制端C,源极S,漏极Do控制端有4个作用：利用控制电流IC的大小来调节占空比D;为芯片提供正常工作所需的偏流；决定自动重启动的频率；对控制回路进行补偿。TOPSwitchII的内部框图如图2所示。主要包括10部分：控制电压源（由控制电压UC向并联调整器和门驱动级提供偏压，而控制端电流IC则能调节占

22、空比）；带隙基准电压源（给内部提供各种基准电压）；振荡器（产生锯齿波（SAVY、最大占空比信号（DmaX和时钟信号（CLOCK）;并联调整器/误差放大器；脉宽调制器（通过改变控制端电流IC的大小，连续调节脉冲占空比，实现脉宽调制并能滤掉开关噪声电压）；门驱动级和输出级（内含耐压为700V的功率开关管MOSFET;过流保护电路（利用MOSFET勺漏源通态电阻RDS （ON来检测过电流，当ID过大时令MOSFETS断，起到过流保护作用）；过热保护及上电复位电路（当芯片结温Tj135C,关断输出级）；关断/自动重启动电路（当调节失控时，立即使芯片在低占空比下工作。倘若故障已排除，就自动 重新启动电源

23、恢复正常工作）；高压电流源（提供偏流用）。TOPSwitchII的工作原理是利用反馈电流IC来调节占空比D,达到稳压目的。举例说明，当输出电压UOT时，经过光耦反馈电路使得ICT-DJ-UO，最终使UO不变。3单片开关电源的典型应用3.1由TOP202Y勾成的7.5V, 15WF关电源7.5V,15WF关电源电路如图3所示。其交流输入电压范围Ui=85V265V,AC,输入电网频率f=47Hz440Hz,电压调整率SV计0.5%，负载调整率SI=1%,电源效率达80%,输出纹波电压的最大值为50mV该电 源采用带稳压管（VDZ2的光耦反馈工作方式。电路中共使用两片集成电路，IC1为TOP202

24、例单片开关电源，IC2是日本产NEC250H型线性光耦合器。FU为3A/250V保险管。C6与L2构成交流输入端的电磁 干扰（EMI）滤波器。C6能滤除由初级脉动电流产生的串模干扰，L2可抑制初级绕组中产生的共模干扰。C7和C8为安全电容，能滤除由初、次级绕组之间耦合电容所产生的共模干扰。宽范围电压输入时，85V265V交流电经过整流器BR C1整流滤波后，获得直流输入电压Ui。由VDZ1和VD1构成的漏极钳位保护电 路可将由高频变压器漏感产生的尖峰电压钳位到安全值以下，并能减小振铃电压。VDZ1选用P6KE150型瞬态电压抑制器（TVS）,其钳位电压为150V,钳位时间仅1ns,峰值功率是5

25、W VD1需采用UF4005型1A/600V的超快恢复二极管（FRD）,其反向恢复时间trr=30ns。次级电压经VD2, C2, L1, C3整流滤波后产生十7.5V的输出电压。R2和VDZ2与输出端并联，构成开关电 源的假负载，可提高空载或轻载时的负载调整率，反馈绕组电压经过VD3整流、C4滤波后，得到反馈电压，再经过光敏三极管给TOP202Y1供一个偏置电压。VD2选择UGB8BTS超快恢复二极管，为降低功耗，gUGB8BTL3 3 3 3 iiiiH HawiCK)v+ +N59S56i-NIfia5W265VftCa5W265VftC390.10.1 nFnF250WC250WCBR

26、BR1 1 5A/65A/6 QflVQflVC：6S0J25V25Va a120120 nFnF25V25V_ _ 2 2NEC2501-HNEC2501-HG G ToTo U U F FFUFU3A3A*P6KE150*P6KE150本VD,VD,UF4005年见本5.2V5.2V22mH22mH400VIN4140IN4140C Cr rCC( (TOP202YTOP202Y2200PF.600VX2200PF.600VX 2 2*+7.5V/2A*+7.5V/2AUu. . RTNRTN图37.5V, 15WF关电源的电路r=+120V-375VT(El-28)L 一 .VD2MUR610CT3.3PH 6AC.47 n F400VM451本V0BYV26c1A/600V3 3乙版E200E200rnr-* +15V/2AM 1 000 P F6T 35VVD：IIN4148QO.UQO.UJ-J-1 1 M M4T4T，2000.5W12。 ；F25VRTNICQTL43MMGG1 OOOpF1 500V图415V, 30W1密开关电源的电路还可选肖特基二极管。光耦合器I