单片开关模块电源

2万 · 2014-7-19 23:13

　　1 性能特点与技术指标

　　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，但早期的单片开关电源芯片普遍应用于低功率的开关稳压电源。第三代单片开关电源TOP GX系列IC是美国功率集成公司于2000年初推出的新型高功率单片开关电源芯片，它除了保持TOP?SwitchⅡ的基本特性外，即在单一CMOS芯片上集成了功率MOSFET、PWM控制器、故障检测及其它控制电路外，还集成了很多内置的以及用户可配置的功能；在单电压输入时的最大输出功率提高到250W，电磁兼容性能也得到较大的提高。第三代单片开关电源TOP GX系列IC的主要性能特点与技术指标是：

　　（1）TOPSwitch GX系列新增了如下内置功能：

　　①软起动：其作用是降低开启时的超调以及对元器件的冲击；

　　②频率抖动：降低EMI的峰值；

　　③较高的占空比允许更大的输出功率和使用较小的输入滤波电容；

　　④零负载调节能力，轻载时很高的效率使得待机时的功耗很低；

　　⑤滞后过热关断使器件可自动故障恢复。

　　（2）TOPSwitch GX系列还增设了用户可配置的引脚，用于检测电网过、欠压，外部设置电流限制以及两种开关频率（132kHz和66kHz）的选择。电网欠压保护、过压关断，以及通过电路反馈电压的取样以降低输出纹波和在高输入电压时最大限度地减小占空比。通过外部电流限制引脚可以精确地减小功率MOSFET的电流，廉价地实现高效率。

　　（3）另外TOPSwitch GX系列还采用节约能源的ECOSMART技术，该技术特别在待机及电源无负载条件下可以节约能源。降低能耗的功能包括远程ON/OFF功能，即通过遥控的方式控制电源的开闭，亦可实现外同步；在低负载时自动降低工作频率。这些功能已超过美国“ENERGYSTAR”的标准。

　　由于TOPSwitch GX系列具有以上诸多特点，因而可广泛用于中、低功率的开关稳压电源中。它不仅电路简单，而且可靠性高，故在中、低功率电子设备中有着广泛的应用前景。

2万 · 2014-7-19 23:14

　　2 管脚功能

　　TOPSwitch GX系列的管脚排列如图1所示，该系列有Y封装和P、G封装两种结构。从图上看出：对于Y封装的TOPSwitch?GX系列，其D、C、S管脚与原TOPSwitch系列开关命名一样，分别为漏极、控制极和源极，新增加的L、X、F管脚的功能如下：

　　L：为输入电压的欠压与过压检测端，同时还具有远程遥控功能。如图2所示，若L端与输入电压正端接入2MΩ的电阻，则欠压保护值为：

图1 TOP GX系列开关管脚图

2万 · 2014-7-19 23:14

(a)TO?220 7C封装(b)DIP 8B和SMD 8B封装

图2 Y封装TOPSwitch GX系列电网电压检测电路

Vuv=Iuv×RL=100V（1）

　　过压保护值为：

Vov=Iov×RL=450V（2）

2万 · 2014-7-19 23:14

　　此外L端还具有远程遥控功能，只要在L、C端之间加一个三极管或光电耦合器即可实现远程遥控功能。具体电路如图3所示。

图3 Y封装TOPSwitch GX系列远程遥控电路

　　X：为外部电流设定调整端。在X端与源极之间接入不同的电阻值，则开关电流即限定为不同的数值。若R2=12kΩ，则流过开关的电流被设定为额定值的69％；若R2=6kΩ，为额定值的90％；若R2=25kΩ，为额定值的43％。可见，当R2值增大时，则开关允许流过的电流要减小。

2万 · 2014-7-19 23:14

　　F：为开关频率选择端。当F端接到源极时，其开关频率为132kHz，当接到控制端时，其开关频率为66kHz。

　　此外，TOPSwitch GX系列也可以当一般的三端TOP器件使用，此时只要将L、X、F端同时与源极相接即可。但此时新增用户可配置的功能全部丧失。

　　对于P、G封装的TOPSwitch GX系列开关都没有X、F端，而新增M端，其功能与Y封装中的L端功能相同。

　　3 120W、24V开关电源模块的电路设计

　　3.1 设计要求

　　（1）输入电压：85V～265VAC，50Hz；

　　（2）输出电压：16V～24VDC；

　　（3）输出电流：5.0A；

　　（4）电网调整率：±1％。

2万 · 2014-7-19 23:15

　　3.2 设计步骤

　　根据设计要求，现以图4上的原理图来说明设计步骤。

图4 120W、24V开关稳压电源原理图

2万 · 2014-7-19 23:15

　　（1）器件选择

　　根据设计要求选择TOP248Y作为开关器件。这时TOP248Y工作在输出功率的上限，电流设定在最大值，即将X端直接与源极相连。而过压值设定在450VDC，若输入电压超过此值，则TOPSwitch?GX将自行关断，直到输入电压恢复正常值，TOPSwitch?GX又自行恢复启动。频率选择端F也与源极直接相连，此时开关工作频率设定在132kHz。

　　（2）脉冲变压器的设计要求

　　脉冲变压器的初级电感（即励磁电感）Lm中的电流与电压的关系近似为：Im=×τ（3）

　　式中：UO为初级电感两端的电压；

　　τ为开关脉冲宽度。

　　由式（3）可知：脉冲变压器的初级电感值要适当，一般在300μH到3000μH之间。输出功率大的情况应取低限；反之则取上限。变压器初级电感不能太小，太小会造成TOPSwitch?GX系列中MOSFET的漏极电流太大，使开关损耗增加，同时易造成过流保护动作，使电源难以启动。同样初级电感也不能太大，太大则不能满足输出功率的要求。

2万 · 2014-7-19 23:15

　（3）电源次级电路的设计

　　次级电路主要是选择整流管和滤波电容。整流管的选择应根据输出电流和电压，其最大值的选择为：

IRLCmax2IO=2×5=10A（4）

VRLCmax（5）

n=×Dmin（6）

　　式中：VO为输出电压；IO为输出电流；Vinmax为最大输入直流电压；Dmin为开关的最小占空比；n为脉冲变压器的变比。

　　将Vinmax=375V；VO=24V；Dmin=0.18代入式(6)得到脉冲变压器的变比为:n≈4

　　此时脉冲变压器的初级励磁电流为:Im==1.25A(7)

　　此值远小于TOP248Y的漏极电流（7.2A）。

2万 · 2014-7-19 23:15

　　电源次级整流管在低输出电压的情况下，一般采用肖特基二极管，用来减小二极管的损耗。当输出电压较高时，则需要采用快恢复二极管（如图4中D2）；当开关频率较高时，应采用超快恢复二极管作整流管，以减小其反向电流对初级的影响。

　　滤波电容C7的容量应满足输出电压纹波的要求，L1及C8应能有效地滤除开关所产生的噪声影响。

　　（4）反馈调整电路的设计

　　反馈调整电路采用光耦和可调三端稳压器TL431组成的调整电路，如图4电路中的VR2、R5、R7、R10、R11和R6组成的输出电压调整电路。R5作为光耦的限流电阻，并不能影响电路的检测环路的增益。在起动瞬间，检测光耦输出电流，从而改变控制端C的电流，实现预调整，以确保电源在低电网电压和满载启动时达到规定的调整值。R9、C10、C11和R4、C4组成环路补偿电路。

2万 · 2014-7-19 23:16

　　4 设计中应注意的问题

　　TOPSwitch GX系列开关电源若设计得当，则较容易满足设计要求；若设计不当，则会出现一些不正常现象。在设计电源时应注意以下几个问题：

　　（1）因为电源的输出功率较大，故要求脉冲变压器的漏感应尽可能小，特别是低压大电流的情况下更应如此。脉冲变压器的初、次级绕组应相间绕制。即使这样，脉冲变压器漏感中储存的能量仍有可能超过瞬态抑制二极管VR1的功率容量，因而用R2、R3和C2与VR1并联，将漏感中的能量部分地损耗在R2、R3上，以保证VR1的工作可靠性；同时又将电压钳位在200VDC，使TOPSwitch GX在电源启动与过载条件下，确保器件内部MOSFET的漏极电压低于700VDC。

　　（2）输出滤波电容的等效串联电阻应尽可能的小，特别是在低压大电流的情况下更应如此，否则由于电容损耗增大而大大降低电源的可靠性。

　　（3）光耦的出端应靠近控制端C，控制端C的滤波电容应靠近源极；另外多功能端L、X、F或M与源极连接线也应尽可能短，同时要远离漏极，以减小电源噪声。

2万 · 2014-7-19 23:16

　　5 结语

　　第三代TOPSwitch GX系列比第二代TOPSwitch系列增加了许多功能，同时输出功率也有较大提高。实践证明，用第三代TOPSwitch?GX系列设计单片开关模块电源，其电路结构简单，抗干扰性能好，可靠性高，性价比高，故在中、低功率电子设备中有着广泛的应用前景。

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