TOPSwitch?Ⅱ在穩壓電源中的應用

摘要：TOPSwitch－II器件是一種PWM/MOSFET二合一的新型集成芯片，采用它制作高頻開關電源，不僅簡化了電路，同時可以改善電源的電磁兼容性能，降低制作成本，本文介紹一種用TOP225Y制作的實驗穩壓電源。電路運用PWM技術和線性穩壓技術，設計新穎，具有一定的實用價值。

關鍵詞：TOPSwitch器件單端反激拓撲PWM電路電磁兼容

Application about TOPSwitch－ II Device in Stabile? valtage Power Supply for experiment

Abstract: TOPSwitch? Ⅱ device is a new type IC merging PWM and MOSFET into one.The high frequency switching power supply mode from it can not only simplify the circuit,but also can improve the EMC characteristics of power supply and reduce the cost of productioncosts. This paper introduces a kind of stabile? voltage supply for experiment made of TOP225Y. The circuit used PWM technique and linear stabile? voltage technique.Its design is original,and also has some practical value.

Keywods: TOPSwitch, Single? ended backward topology, PWM,

EMC中圖法分類號：TN86文獻標識碼：A文章編號：0219?2713(2000)11?553?03

1引言

在進行電路和單片機實驗時，實驗穩壓電源是必需的設備之一，對這類穩壓電源，功率容量并不要求很大，但要有多組輸出電壓，其中最好有一組輸出電壓能夠連續可調，以適應不同場合的需要。市售的實驗穩壓電源種類很多，但基本上都是采用工頻線性穩壓方式。其優點是簡單、易制造、價格低，缺點是體大笨重和效率低。采用高頻開關電源是克服上述缺點的有效途徑，但一般的高頻開關電源電路復雜，元器件較多，制作成本也會有所提高，所以目前在實驗穩壓電源中采用高頻開關技術的仍不多見。然而采用TOPSwitch等新型器件制作的高頻開關電源，電路可以做得和工頻線性穩壓電源一樣簡單，性能很優越，效率卻遠高于后者，而成本也不會有明顯的增加。

圖1TOPSwitch－Ⅱ系列器件內部結構圖

TOPSwitch器件是美國功率集成公司（POWERIntegrationsInc），于90年代中期推出的新型高頻開關電源芯片。它是三端脫線式PWM開關的英文縮寫（Three?terminaloff?linePWMSwitch）。它的特點是將高頻開關電源中的PWM控制器和MOSFET功率開關管集成在同一芯片上，是一種二合一器件。這大大簡化了電源電路，提高了可靠性，使得電源的設計更加簡單快捷。TOPSwitch器件有多種封裝形式，采用DIP－8和SMD－8封裝的，中間4只為空腳，可以將它們接到印刷電路板的銅箔上，將芯片產生的熱量直接傳到印刷電路板上，不必另設散熱器，節省了成本。采用TO220封裝的，只有3只管腳，使用起來就和一只大功率三極管一樣便利。此外由于PWM控制器和MOSFET功率開關管是在管殼內連接的，連線極短，這就消除了高頻輻射現象，改善了電源的電磁兼容性能，減小了器件對電路板布局和輸入總線瞬變的要求。TOPSwitch－II是TOPSwitch的改進型號，它將單電壓輸入時的最大功率100W提高到150W，電磁兼容性也得到增強，該器件具有更高的性能價格比。TOPSwitch－II器件包括TOP225－TOP227等幾個型號，主要差別就在于輸出功率的不同。TOPSwitch?II器件的內部電路與性能分別見圖1和表1所示。

圖2穩壓電源原理圖

表1TOPSwitch－Ⅱ的產品分類及最大輸出功率POM

2工作原理

該電源電路拓撲為單端反激式，電路原理見圖2所示。220V市電經電源噪聲濾波器LF后再通過橋式整流器直接整流。電源濾波器的作用一方面是濾除由電網傳來的雜波電壓，凈化輸入電源，另一方面也阻止高頻開關電源的振蕩電壓竄入電網，干擾其它電器。現在很多電源設計不重視電源濾波器的選擇，一些中小功率的高頻開關電源往往不加電源濾波器，這樣不僅降低了電源本身的抗干擾能力，影響其工作穩定性，而且也造成對公共電網的污染。市電經整流和電容濾波后，變成308V的直流電壓供給TOPSwitch－II器件，TOPSwitch－II構成DC/DC變換器，它將輸入的直流高壓變成脈寬可調的高頻脈沖電壓，經高頻變壓器降壓后再進行半波整流和濾波，變成所需要的直流電壓輸出。R1、C1、VD1組成緩沖吸收電路，吸收功率器件在關斷過程中由于變壓器漏感產生的電壓尖峰過沖，電路的工作頻率為100kHz，振蕩元件已固化在器件內部，高頻變壓器的次級有4個繞組，其中的5V/3A繞組N3控制TOPSwitch－II器件的脈寬，即這一組輸出電壓為PWM穩壓，由并聯可編程穩壓器TL431和光電耦合器PC及分壓電阻R7、R8完成取樣反饋工作。之所以選擇這一繞組進行脈寬控制，是因為它的輸出電壓低電流大，更能體現出開關電源的優越性。為了實現對光耦的隔離供電，變壓器單設了一個輔助繞組N2。±12V/0.5A繞組N4及N5采用集成三端穩壓器LM7812和LM7912進行線性穩壓，因輸出電流不大，功耗較低，散熱問題容易解決。次級中還有一個1.25V～30V/1.5A的可調繞組N6，采用了可調三端穩壓器LM317進行線性穩壓和調壓，為了克服線性穩壓在低壓輸出時，功耗大和效率低的缺點，此繞組設置了高、低兩個抽頭，抽頭的變換由繼電器自動切換，切換電壓設在15V，由TL431取樣。當要求輸出電壓低于15V時，TL431的參考輸入端的電壓低于2.5V，TL431截止，繼電器K不吸合，低壓繞組被接通。反之，當要求輸出電壓高于15V時，TL431的參考輸入端的電壓高于2.5V，TL431導通，繼電器吸合，高壓繞組被接通。電壓表PV指示輸出電壓的數值。

TOPSwitch－II器件型號的選擇

本電源總輸出功率為各組輸出功率之和：

PO=5×3＋12×2×0.5＋30×1.5=72W

若電源總的效率為80％，則電源輸入的總功率應為：

Pi=PO/80％=72/0.8=90W

從表1可以看出，在220V單一電壓條件下，TOP225Y的最大輸出功率為100W，能夠滿足本電路要求。

圖2 穩壓電源原理圖

3高頻變壓器的設計

在制作單端反激式高頻開關電源時，高頻變壓器的設計與計算是至關重要的，其工作量也是比較大的。

假定交流輸入電壓的范圍是180V～260V，整流器壓降和輸出電壓紋波為22V，最大占空比為Dmax=0.5，則K=Uimax/Uimin=364/230=1.58

Dmin=Dmax/[(1－Dmax)K＋Dmax]

=0.5/[(1－0.5)×1.58＋0.5]=0.38

Ip=2PO/(Uimin×Dmax)

=2×90/(230×0.5)=1.57A

(1)變壓器初級電感量

Lp=Uimin×Dmax/(Ip×f)

=230×0.5/(1.57×100×103)

=0.73mH

選擇南京CONDA公司的PQ32/30磁芯、LP3材料、AL=1.61、磁通密度B=0.39T，變壓器工作在單端狀態，最大工作磁通

Bmax=B/2=0.39/2=0.19T

為避免出現磁飽和現象，變壓器磁芯要留有空氣隙，其長度

Lg=0.4×π×Lp×Ip2/(AL×B2max)

=0.4×3.14×0.73×10－3×1.572

/(1.61×0.192)

=0.04cm

(2)變壓器初級匝數N1

N1=Lp×Ip×104/(AL×Bmax)

=0.73×10－3×1.57×104/1.61×0.19

=38匝（取整）

（3）5V繞組匝數N3

N3=N1（UO＋UD）（1－Dmax）/(Uimin×Dmax)

=38×(8＋1)(1－0.5)/(230×0.5)

=1匝（取整）

（4）±12V繞組匝數N4、N5

N4=N5=N1（UO＋UD）（1－Dmax）/(Uimin×Dmax)

=38×(15＋1)×(1－0.5)/(230×0.5)

=3匝（取整）

（5）反饋繞組匝數N2=N4=N5

（6）1.25V～30V可調繞組匝數N6

N6=N1（UO＋UD）（1－Dmax）/(Uimin×Dmax)

=38×(33＋1)(1－0.5)/(230×0.5)

=6匝（取整）

在3匝處抽頭

上述計算匝數各公式中的UO為輸出電壓（取額定輸出電壓＋穩壓器壓降3V），UD為快恢復二極管壓降，取1V。

采用高強度漆包線繞制，各繞組所用漆包的線徑如下：

N1用?0.71mm

N2、N4、N5用?0.42mm

N3用?0.99mm

N6用?0.72mm

5V繞組的輸出濾波電感線圈L1選?4cm磁環，用?1.0mm漆包線穿繞15匝。

高、低壓切換繼電器用JZC22F，DC12V/10A，電壓表的型號為85C1、表盤刻度0～30V。

高頻變壓器的計算過程是很繁瑣的，要考慮大量相互關聯的設計變量，費力耗時。為減輕設計者負擔，美國功率集成公司特為TOPSwitch器件設計了一套EXCEL電子表格，可以在PC機上運行。應用電子表格設計電源，簡單快捷，一般只要10分鐘左右即可完成。中國電源學會1999年第13屆年會上，曾有一篇論文，專門介紹了EXCEL電子表格，讀者可參閱該文，這里不再贅述。