TOPSwitch?GX系列單片開關電源的快速設計法??

TOPSwitch?GX屬于高性價比的單片開關電源。下面介紹利用特性曲線快速選擇TOPSwitch?GX芯片并估算電源效率η和芯片功耗PD的方法。快速設計法可為設計單片開關電源提供重要依據。

1快速選擇TOPSwitch?GX芯片的方法

TOPSwitch?GX的交流輸入方式有兩種：寬范圍輸入（交流85V～265V，亦稱世界通用的供電電壓輸入），固定輸入（交流230V±15％，亦稱單一供電電壓輸入）。下面介紹四種快速選擇曲線及其使用方法和設計實例。

1.1寬范圍輸入時PD與η、PO的關系曲線

TOPSwitch?GX系列產品在寬范圍輸入條件下，當輸出電壓UO=＋5V、＋12V時，PD與η、輸出功率（PO）的關系曲線，分別如圖1、圖2所示。現規定以下條件：開關頻率f=132kHz；交流輸入電壓U=85V～265V；輸入濾波電容CIN的容量按3μF/W的比例系數選取；初級感應電壓UOR=135V；漏極鉗位電壓UB=200V，漏極鉗位電路中可以并聯上RC網絡，以減少瞬態電壓抑制器的損耗；輸出整流管采用肖特基二極管，5V輸出時正向壓降為0.45V、反向耐壓為45V；12V輸出時分別為0.54V、100V；TOPSwitch?GX在額定輸出時的最低結溫Tjmin=100℃（僅Y封裝為110℃）。圖中，橫坐標代表PO，縱坐標代表η。所給出的八條實線依次對應于TOP242～TOP249的電源效率，虛線則表示芯片功耗的等值線。圖中的陰影區對應于輸出電流IO>10A的情況，若要使用該區域內的曲線部分，應選更大功率的輸出整流管并增加濾波電容的容量，此時電源效率會降低些。

圖1寬范圍輸入、5V輸出時PD與η、PO的關系曲線

圖2寬范圍輸入、12V輸出時PD與η、PO的關系曲線

圖3固定輸入、5V輸出時PD與η、PO的關系曲線

1.2固定輸入時PD與η、PO的關系曲線

TOPSwitch?GX系列產品在固定輸入條件下，當UO=＋5V、＋12V時，PD與η、PO的關系曲線，分別如圖3、圖4所示。這里假定U=230V±15％，CIN的容量按1μF/W的比例系數選取。其余條件同上。

1.3快速選擇曲線的使用方法

利用上述曲線能快速選擇TOPSwitch?GX芯片，并得到電源效率和芯片功耗的估計值，也為選擇散熱器提供了依據。由于這些曲線反映了PD、η、PO參數的內在聯系，因此所得到的估計值是可信的。

使用快速選擇曲線的方法如下：

（1）根據預先確定好的U、UO值，選擇適用的特性曲線；

（2）從橫坐標上查出所預期的輸出功率點（PO）；

（3）沿此功率點垂直向上移動，直到與第一條實

曲線相交；

（4）讀出該交點對應于縱坐標的電源效率值；

（5）確定該效率值是否滿足設計要求，如不滿足，再向上移動查找其他曲線；

（6）從虛線（等值線）上讀出所選芯片的功耗PD，供設計散熱器時參考。

最后再利用電子數據表格或PI專家系統完成整個開關電源的設計工作。

需要指出，設計人員所預期的輸出功率值可能對應于幾種不同型號的芯片。此時從橫坐標垂直上移時所遇到的第一條實曲線，就代表輸出功率最小、成本最低的TOPSwitch?GX芯片，而遇見的最后一條實曲線，則表示功率最大、效率最高、價格較貴的芯片。應根據實際情況合理地選擇。此外，若UO為5V～12V中間的某一數值，則可用外插法從兩條曲線中間找一個合適的工作點。注意，適當提升輸出電壓可以提高電源效率。例如在一個通用型12V、70W的設計曲線中，用TOP249Y估計有79.5％的效率，若將輸出電壓提升到19V，效率就將達到85％。而由TOP249Y構成交流230V輸入、輸出為48V、250W的敞開式開關電源，其效率可達84.5％。

1.4應用實例

例1設計一個寬范圍輸入、輸出為5V、30W的開關電源

從圖1所示曲線上可以查出，當PO=30W時可選TOP244芯片。此時交點所對應的電源效率為67.5％，TOP244的功耗為3.5W。若采用TOP245芯片，則效率可提高到70.5％，功耗也降至2.5W。當PD=1.5W時，可選Y封裝的芯片。

例2設計一個寬范圍輸入、輸出為12V、12W的電源適配器

由圖2上可以查出，適合PO=12W的芯片型號有兩種：TOP243、TOP244。所不同的是選擇TOP243時，η=82％，PD=0.7W；若選TOP244，則η=83％，PD=0.5W，考慮到電源適配器密封在塑料盒內，散熱條件較差，要求Tjmin≤100℃。對于DIP?8B封裝的芯片，在印制板上用232mm2敷銅箔作散熱器時，其芯片結溫到周圍空氣的總熱阻RθA=35℃/W。假定最高環境溫度TAM=50℃，塑料盒內還有大約20℃的溫升△T，即盒內溫度T'A=TAM＋△T=70℃。根據下式可計算出額定輸出時芯片的最低結溫：

圖4固定輸入、12V輸出時PD與η、PO的關系曲線

表2寬范圍輸入、12V輸出時關鍵元件的典型參數

表1寬范圍輸入、5V輸出時關鍵元件的典型參數

Tjmin=T'A＋RθA·PD

對TOP243P而言，PD=0.7W時，Tjmin=70＋35×0.7=94.5℃<100℃。對于TOP244P，PD=0.5W時不難算出Tjmin=87.5℃。因此，如果塑料盒內沒有足夠的空間安裝散熱器時，選擇TOP244P就更為適合。

例3設計一個寬范圍輸入、輸出為12V、70W的開關電源

由圖2可見，有4種芯片可滿足要求：TOP246Y（效率73.8％，功耗8W）；TOP247Y（效率77％，功耗5.5W）；TOP248Y（效率78.5％，功耗4.5W）；TOP249Y（效率79.5％，功耗3.9W）。顯然，選擇TOP249Y時電源效率最高，而器件的功耗為最低，但其價格要稍貴些。

2關鍵元件的典型參數值

TOPSwitch?GX在寬范圍輸入、輸出為5V或12V時，關鍵元件的典型參數值分別見表1和表2，所列數據可供設計開關電源時參考。表中，LP、LP0分別為高頻變壓器初級電感量和初級漏感量，f0是次級開路時高頻變壓器的諧振頻率，ZP、ZS依次為初級和次級繞組的交流阻抗，PL為磁芯的功率損耗。

3設計注意事項

必須指出，TOPSwitch?GX的快速設計法旨在提供設計開關電源的正確途徑，所得到的PD、η參數均為估計值。最終能否達到設計指標，還受諸多因素的影響。下面闡述設計過程中的一些注意事項。

3.1造成開關電源性能指標降低的主要因素

（1）當輸入濾波電容CIN的容量存在負偏差或因電容衰老而使容量減小時，會導致直流輸入電壓UI降低，初級有效值電流增大，使可用芯片的選擇范圍減小；

（2）受制造工藝的限制，高頻變壓器的初級電感量LP可能有較大的偏差。LP過大，需增大高頻變壓器的尺寸；而LP過小，會使初級脈動電流和有效值電流增大，增加芯片的功耗，要采用較大功率的TOPSwitch?GX芯片；

（3）快速選擇曲線僅適合于交流輸入為正弦波。當電網波形有嚴重失真時，會導致整流濾波后的UI降低，有可能使芯片欠壓保護。此時應增大輸入濾波電容CIN的容量，或者降低PO值；

（4）初級感應電壓UOR對電源效率有很大影響。UOR太高，不僅會增加鉗位保護電路的功耗，還容易燒毀鉗位二極管，進而損壞TOPSwitch?GX芯片。另外，UOR過低，會降低輸出功率和電源效率；

（5）低壓輸出時，要求輸出濾波電容COUT的等效串聯電阻（ESR）必須很低，以免增加次級損耗；

（6）為提高電源效率，必須減小高頻變壓器的初級漏感LP0。正確的設計應使LP0／LP的比值不超過1％～1.5％。否則，應改進高頻變壓器的結構和制造工藝。測量LP0時，應先把次級繞組短路，再用數字電感表或RLC自動測量儀測量初級繞組兩端的漏感《電源技術應用》2001年9月第9期

量；

（7）開關電源的效率愈低，表明芯片功耗愈大。當效率過低時有可能從快速曲線上查不到任何一條實曲線，此時虛線亦失效，這證明設計不合理，需重新設計。

3.2提高開關電源性能指標的方法

（1）前面提到CIN的每W電容量推薦值，只是能滿足設計指標并降低電容器成本的基本條件。但就電源效率和CIN的使用壽命而言，適當提高每W的電容量值，定能達到更好的性能指標，只是CIN的容量增大了，成本也會相應增加；

（2）若已確信開關電源總處于低壓輸入情況，可適當提高鉗位電壓UB和感應電壓UOR。這樣雖然會增大次級峰值電流ISP，卻能提高總的電源效率并降低芯片功耗。令輸出整流管的反向耐壓值為U（BR）S，有下述關系式：UOR↑→D↓→IRMS↓→Tjmin↓→U(BR)S↓。這就便于選擇低耐壓、高效率的肖特基二極管作整流管；（3）對于TOPSwitch?GX芯片，可得到兩個互相獨立的最大輸出功率值。一個是通過設定工作參數（例如Dmax、）而得到的；另一個是由芯片最低結溫Tjmin所決定的熱狀態下最大輸出功率。快速選擇曲線未考慮Tjmin的限制，而后者可能使設計的輸出功率低于芯片最大輸出功率，此時可相應增加初級電感量并改善散熱條件。將電源適配器設計在連續模式下工作，能夠降低芯片的功耗；

（4）使用快速選擇曲線的條件之一是TOPSwitch?GX在低于100℃結溫下工作。如能在較低的結溫下工作，會改善其輸出特性。此外，適當增加散熱器面積，也有助于提高電源效率和輸出功率。