毕业设计（论文）基于单片开关电源的智能功率模块驱动电源的设计.doc

第一章 绪论11.1智能功率模块的基本原理11.2开关电源的发展趋势51.2.1 开关电源的发展历史61.2.2 开关电源的发展趋势6第二章 三端单片开关电源的原理与应用82.1 开关电源的基本原理82.2 TOPSwitch系列的产品分类及性能特点102.3 TOPSwitch系列单片开关电源的工作原理112.4 单片开关电源的基本原理及反馈电路类型14第三章 三端单片开关电源的设计183.1 单片开关电源的快速设计法183.2 高频变压器的设计253.3 多路输出式单片开关电源的设计273.4 TOPSwitch的使用注意事项31第四章 实验分析35结论38致谢39参考文献40第一章 绪论单片开关电源自20世纪90年代中期问世以来，便显示出强大的生命力，并以其优良特性倍受人们的青睐。它极大的简化了开关电源的设计和新产品开发工作，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。在智能功率模块（IPM）的应用中，需要用到四组互相绝缘的控制电源。使用单片开关电源可以方便地设计出高效的控制电源。本章首先阐述IPM的基本原理，然后简要介绍开关电源的发展趋势、基本原理，以及单片开关电源的基本原理及反馈电路类型。1.1智能功率模块的基本原理智能电力模块(IPM)是智能集成电路,因其可靠性高,用户使用方便的特点赢得越来越大的市场。本节以日本富士公司R系列IPM为例,讲述了智能电力模块的结构及其在小型变频器中的应用。 1.1.1 概述智能电力模块(IPM)又称为智能集成电路,是电力集成电路的一种。在电力电子变流电路中,电力电子器件必须有驱动电路(或触发电路)、控制电路和保护电路的配合,才能按人们的要求实现一定的电力控制功能。以往,电力电子器件和配套控制电路是分离器件构成的电路装置,而今半导体技术达到了可以将电力电子器件及其配套控制电路集成在一个芯片上形成所谓的功率集成电路。可以集成多种功率器件及其控制电路所需的有源或无源器件,比如功率二极管、BJT、IGBT、高低压电容、高阻值多晶硅电阻、低阻值扩散电阻以及各元器件之间的连接等。这种功率集成电路特别适应于电力电子技术高频化发展方向的需要。由于高度集成化,结构十分紧凑,避免了由于分布参数、保护延迟等所带来的一系列技术难题。IPM的优点：1不易损坏；2IPM内藏相关的外围电路,缩短了产品设计和评价时间；3不需要对功率开关器件采取防静电措施；4大大减少了元件数目,体积缩小。电力集成模块的智能化主要表现在易控制功能、保护功能和接口功能等三个方面。IPM内藏过电压、过电流和过热等故障监测电路,并可将监测信号送给CPU。即使发生负载事故或使用不当,也可保证IPM自身不受损坏。目前的IPM一般采用IGBT作为功率开关元件,并也内藏电流传感器及驱动电路的集成结构。IPM正以其可靠性高、用户使用方便的特点赢得越来越大的市场,尤其适合制作驱动电动机的变频器,是一种较为理想的电力电子器件。1.1.2 IPM的结构下面介绍小容量变频器中开始采用的IPM。以富士公司R系列IPM为例。其内部结构如图11所示。由图11可见,这是一种包括制动单元在内的完整的逆变器,其中包括7个IGBT和7个快速功率二极管,IGBT1IGBT6组成逆变桥,VDF1VDF6是与六个主IGBT反并联的回馈二极管,IGBT7是动力制动用的开关管,VDW是它的续流二极管。图中有关检测元件、保护电路没有具体画出,含在“驱动”框内。“驱动”部分具有下述功能:1驱动信号放大;2短路保护(SC);3控制电源欠电压保护(UV);4IGBT及VDF、VDW过电流保护(OC);5IGBT芯片过热保护(TjoH)。“驱动”4、6、2、7及“过热保护电路”经由16号端子ALM输出报警信号。当IGBT过电流、IGBT结温过高、外壳温度过高、负载短路和控制电源欠电压信号出现时,ALM报警信号输出,保证整个系统切实停止工作。由于控制电源共地处理的限制,ALM信号由具有共地端的驱动器中取出,即由“驱动”4、6、2及7中取出。当有ALM信号输出时, IGBT4、6、2及7被封锁,由于没有电流通路, IGBT1、3、5也同样受到保护。图11 IPM的内部结构图 1.1.3 R系列的IPM在小容量变频器中的应用举例图12是含制动单元的R系列的IPM在小容量变频器中的应用电路。使用IPM时应注意以下各项:图12 应用电路图（含制动单元）1控制电源必须有4组,且互相绝缘,上桥臂3组,下桥臂及制动单元的驱动器公用1组。2四组控制电源与主电源间必须加以绝缘,而且,随着IGBT的开关动作,该绝缘部位将有很大的du/dt作用,因此要确保足够的距离,推荐大于2mm。3下桥臂控制电源的GND和主电源的GND在IPM内部已连接好了,在IPM的外部绝对不要再连接。如果另外连接,则IPM的下桥臂内、外将由于di/dt而产生环流,容易引起IPM的误动作,甚至有可能破坏IPM的输入电路。4图12所示的各控制电源上连接的10F和0 1F的电容并非滤波电容,而是用于从电源到IPM之间布线阻抗的退耦。若需滤波,应另加电容。另外,从10F和0 1F的电容到控制电路间的布线阻抗在过渡过程中是有波动的,应使这段到IPM端子的布线尽量短。上述退耦电容应有较好的频率特性,例如用薄膜电容并联起来。5信号输入端上拉,控制信号输入端用20电阻上拉,而且内含制动单元的IPM,如果不使用该制动单元,也要将信号输入端上拉,否则,会由于du/dt的作用而产生误动作。6主直流电源出口的大电容,可直接接到P、N端子之间。1.2开关电源的发展趋势电源是各种电子设备必不可缺的组成部分，其性能优劣对电子设备的技术指标有重要意义。目前常用的直流稳压电源分为线性电源和开关电源两大类。线性稳压电源又称为串联调整式稳压电源，其稳定性好，输出纹波电压很小，但它必须使用笨重的工频变压器与电网进行隔离，并且调整管的功率损耗较大，致使电源的体积和重量大，效率低。开关电源SPS（Switching Power Supply）被誉为高效节能电源，它代表着稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品。开关电源内部关键元器件工作在高频开关状态下，本身消耗的能量很低，电源效率可达80%90%，比普通线性稳压电源提高近一倍。开关电源又称为无工频变压器的电源，它是利用体积很小的高频变压器来实现电压变换及电网隔离的，不仅能去掉笨重的工频变压器，还可以采用体积较小的滤波元件和散热器，这就为研究与开发高效率、高密度、高可靠性、体积小、重量轻的开关电源奠定了基础。1.2.1 开关电源的发展历史开关电源已有几十年的发展历史。早期产品的开关频率很低，成本昂贵，仅用于卫星电源等少数领域。20世纪60年代出现过晶闸管（旧称可控硅）相位控制式开关电源，70年代由分立元件制成的各种开关电源，均因效率不够高、开关频率低、电路复杂、调试困难而难以推广。70年代后期以来，随着集成电路设计与制造技术的进步，各种开关电源专用芯片大量问世，这种新型节能电源才重获发展。目前，开关频率已从20kHz左右提高到几百千赫至几兆赫。与此同时，供开关电源使用的元器件也获得长足发展。MOS功率开关管（MOSFET）、肖特基二极管（SBD）、超快恢复二极管（SRD）、瞬态电压抑制器（TVS）、压敏电阻器（VSR）、熔断电阻器（FR）、自恢复保险丝（RF）、线性光耦合器、可调式精密并联稳压器（TL431）、电磁干扰滤波器（EMI Filter）、高导磁率磁性材料、由非晶合金制成的磁珠、三重绝缘线、玻璃珠胶合剂等一大批新器件、新材料正被广泛采用。所有这些，都为开关电源的推广与普及提供了必要条件。1.2.2 开关电源的发展趋势 近20多年来，开关电源沿着下述两个方向发展。第一个方向是对开关电源的核心单位控制电路实现集成化。1977年国外首先研制成功脉冲调制（PWM）控制器集成电路，美国摩托罗拉（Motorola）、硅通用（Silicon General）公司等公司相继推出一批PWM芯片，典型产品有MC3520、SG3524、UC3842。90年代以来，国外又研制出开关频率达1MHz的高速PWM、PFM（脉冲频率调制）芯片，典型产品如UC1825、UC1864。第二个方向则是对中、小功率开关电源实现单片集成化。这大致分两个阶段：80年代初，意法半导体有限公司（SGS-Thomson）率先推出L4960系列单片开关稳压器。该公司于90年代又推出了L4970A系列。其特点是将脉冲调制器、功率输出级、保护电路等集成在一个芯片中，使用时配工频变压器和电网隔离，适于制作低压连续可调式输出（5140V）、大中功率（400W以下）、大电流（1510A）、高效率（可超过90）的开关电压。但从本质上讲，它仍属于DC/DC电源变换器。 1994年，美国电源集成公司（Power Intergration Inc）在世界上首先研制成功的三断隔离、脉宽调制型反激式单片开关电源，被人们誉为“顶级开关电源”。其第一代产品为TOPSwitch系列（TOP100/TOP200系列），第二代产品则是1997年问世的TOPSwitch系列（TOP221TOP227）。该公司于1998年又推出了高效率、小功率、低价格的四端单片开关电源TinySwitch系列，并于1999年开关出TNY265系列新产品。2000年初，PI公司又研制出TOPSwitchFX系列五端单片开关电源，充分展示出单片开关电源蓬勃发展的新局面和良好的应用前景。目前，单片开关电源已形成具有六大系列、67种型号的产品。 单片开关电源属于AC/DC电源变换器。以TOPSwitch系列为例，它内部包含控制电压源、带隙基准电压源、振荡器、并联调整器/误差放大器、脉宽调制器、门驱动级、高压功率开关管（MOSFET）、过流保护电路、过热保护及上电复位电路、关断/自动重启动电路和高压电流源。芯片的集成度很高，外围电路简单，通过输入整流滤波器，适配85265V、47440Hz的交流电，可构成世界通用的各种开关电源或电源模块。它在价格上完全可以和同等功率的线性稳压电源相竞争，而电源效率显著提高，体积和重量则大为减小。单片开关电源的迅速发展与应用，使人们多年来所追求的高性价比、无工频变压器式开关电源变成现实。第二章 三端单片开关电源的原理与应用 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、无工频变压器、能实现电气隔离等显著特点。美国PI公司研制的TOPSwitch系列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。 本章深入阐述开关电源基本原理，三端单片开关电源的产品分类、工作原理及反馈电路类型。2.1 开关电源的基本原理目前生产的开关电源大多采用脉宽调制方式，少数采用脉冲频率调制或混合调制方式。下面对开关电源控制方式及脉宽调制的基本原理作简要介绍。2.1.1 开关电源的控制方式无工频变压器开关电源的控制方式大概有以下三种：（1）脉冲宽度调制方式，简称脉宽调制（PWM）。其特点是固定开关频率，通过改变脉冲宽度来调节占空比。其缺点是受功率开关管最小导通时间的限制，对输出电压不能作宽范围调节；另外输出端一般要接假负载（亦称预负载），以防空载时输出电压升高。目前，集成开关电源大多采用PWM方式。 （2）脉冲频率调制方式，简称脉冲调制（PFM）。它是将脉冲宽度固定，通过改变开关频率来调节占空比的。其稳压原理是：当输出电压Vo升高时，控制器输出信号的脉冲宽度不变而周期变长，使占空比减小，Vo降低。PFM式开关电源的输出电压调节范围很宽，输出端可不接假负载。 （3）混合调制方式，是指脉冲宽度与开关频率均不固定，彼此都能改变的方式，它属于PWM和PFM的混合方式。这种调制方式的占空比调节范围最宽，适合制作供实验室使用的输出电压可以宽范围调节的开关电源。2.1.2 脉宽调制式开关电源的基本原理 脉冲调制式开关电源的基本原理图如图21所示。交流220V输入电压经过整流滤波后变成直流电压Vi，再由开关管VT（或MOSFET）斩波、高频变压器T降压，得到高频矩形波电压，最后通过输出整流滤波器VD、C2，获得所需要的直流输出电压VO。脉冲调制器是这类开关电源的核心，它能产生频率固定而脉冲宽度可调的驱动信号，控制功率开关管的通断状态，来调节输出电压的高低，达到稳压目的。锯齿波发生器提供时钟信号。利用误差放大器和PWM比较器构成闭环调节系统。假如由于某种原因致使VO，脉冲调制器就改变驱动信号的脉冲宽度，亦即改变占空比D，使斩波后的平均电压升高，导致VO。反之亦然。图21脉冲调制式开关电源的基本原理图 2.2 TOPSwitch系列的产品分类及性能特点TOPSwitch与第一代产品相比，它不仅在性能上有进一步改进，而且输出功率得到显著提高，现已成为国际上开发中、小功率开关电源模块的优选集成电路。2.2.1 产品分类按封装形式，TOPSwitch可划分为三种类型：采用TO-220封装的TOP221YTOP227Y型；采用8脚双列直插式（DIP-8）封装的TOP221P224P型；采用8脚表面安装式（SMD-8）封装的TOP221G224G型。产品分类情况详见表21。表中，POM表示加合适散热器后所能获得的最大连续输出功率。对于TO-220封装，需在小散热片上加散热器，使芯片在正常工作时的结温小于100；对于DIP-8和SMD-8封装，可借助印刷板上公共地线区域的敷铜箔来代替散热片，将源极直接焊接在面积为645cm2敷铜箔上。有时为减少开关电源模块的体积，还可将凹型铝散热板直接粘贴在DIP-8（或SMD-8）封装的芯片上面，或将散热板与源极固定在一起，同样能起到散热作用。 2.2.2 性能特点 TOPSwitch系列产品具有以下显著特点：（1）将脉宽调制（PWM）控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、高压启动电路和环路补偿电路，通过高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。 （2）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表21 TOPWitch的产品分类及最大输出功率POMTO-220封装（Y）DIP-8封装（P）/SMD-8封装（G）产品型号固定电压输入：110/115 /230V（AC），±15%宽范围电压输入：85265V（AC）产品型号固定电压输入：110/115 /230V（AC），±15%宽范围电压输入：85265V（AC）TOP221Y12W7WTOP221P/G9W6WTOP222Y25W15WTOP222P/G15W10WTOP223Y50W30WTOP223P/G25W15WTOP224Y75W45WTOP224P/G30W20WTOP225Y100W60WTOP226Y125W75WTOP227Y150W90W/115V230V交流电，允许变化±15；若配85265V宽范围变化的交流电，最大输出功率要降低40%。开关电源的输入频率范围是47440Hz。 （3）开关频率典型值为100KHz，占空比调节范围是17%67%。电源效率为80%左右，最高可达90%，比线性集成稳压电源提高近一倍。其工作温度范围是070芯片最高结温Tjm=135。 （4）外围电路简单，成本低廉。外部仅需接整流滤波器、高频变压器、初级保护电路、反馈电路和输出电路。采用此类芯片还能降低开关电源产生的电磁干扰。（5）只有三个引出端：控制端C、源极S、漏极D，可同三端线性稳压器相媲美，能以最简方式构成无工频变压器的反激式开关电源。为完成多种控制、偏置及保护功能，C、D均属多功能引出端，实现了一脚多用。2.3 TOPSwitch系列单片开关电源的工作原理 TOPSwitch 有三种封装形式，分别为TO-220、DIP-8、SMD-8，其管脚封装图如图22所示。其中DIP-8可配8脚IC插座，SMD-8则为表面贴片，后者不需打孔焊接。 TOPSwitch的三个管脚分别为控制端C、源极S、漏极D。其中，控制端有4个作用：第一，利用控制电流IC的大小来调节占空比D；当IC从6mA减到2mA时，D就由17%增至67%，比例系数即为脉宽调制增益：第二，它与内部并联调整器/误差放大器相连，能为芯片提供正常工作所需的偏流；第三，该端还为电源支路和自动重启动/补偿电容的连接点，通过外图22 TOPSwitch管脚封装图 接旁路电容来决定自动重启动的频率；第四，对控制回路进行补偿。控制电压VC的典型值为57V，极限电压VCM=9V，控制端最大允许电流ICM=100mA。 漏极D与片内功率开关管的漏极连通，漏-源击穿电压V（BR）DS700V。源极S则接内部功率开关管的源极，还与小散热片接通（仅对TO-220封装而言），作为初级电路的公共地。对于DIP-8以及SMD-8封装，都设计了6个S端，它们在内部是连通的。区别只是左边3个S端作为信号地接旁路电容的负极，右边3个S端则称为高压返回端（HV RTN），即功率地。安装印刷板时应将它们焊接到地线区域的不同位置，这样可避免大电流通过功率地所形成的压降对控制端产生干扰。 TOPSwitch的内部框图如图23所示。主要包括10个部分：控制电压源；带隙基准电压源；振荡器；并联调整器/误差放大器；脉宽调制器；栅极驱动器；过流保护电路；过热保护及上电复位电路；关断自动重新启动电路；高压偏流源。图23 TOPSwitch的内部框图 下面分别介绍各单元电路的工作原理。 1控制电压源：控制电压VC给控制器和驱动器供电或提供偏压。接在CONTROL和SOURCE引脚之间的外部旁路电容CT。，为栅极提供驱动电流，并设置自动恢复时间以及控制环路的补偿。在正常工作（输出电压稳定）时，反馈控制电流给VC供电，并联稳压器使VC保持在57V。在启动时，控制（CONTROL）脚的电流由内部接在DRAIN和CONTROL脚之间的高压开关电流源提供。CONTROL脚电容CT放电至阈值电压以下时，输出MOSFET截止，控制电路处于备用方式。此时高压电流源接通，并再次给电容CT充电。通过高压电流源的接通和断开，使VC保持在4757 V之间。 2带隙基准电压源：所有TOPSwitch内部电压都取自具有温度补偿的带隙基准电压。此基准电压也能产生可微调的温度补偿电流源，用来精确地调节振荡器的频率和MOSFET栅极驱动电流。 3振荡器：内部振荡器通过内部电容线性地充放电，产生脉宽调制器所需的锯齿波电压人了降低EMI并提高电源的效率，振荡器额定频率选为 100kHz，精调电流基准值可提高振荡频率的精度。 4并联调整器/误差放大器：在电路中，并联稳压器完成误差放大器的功能。并联稳压器的电压精确地取自温度补偿带隙基准电压；误差放大器的增益则由CONTROL脚的动态阻抗设定。 5脉宽调制器：流入CONTROL脚的电流在凡两端产生的压降，经 RC电路滤波后伽到PWM比较器的问相输入端，与振荡器输出的锯齿波电压比较产生脉宽调制信号。该信号驱动输出MOSFET实现电压型控制。 6栅极驱动器：栅极驱动器以一定速率使输出MOSFET导通，以减小共模EMI。为了提高精确度，栅极驱动电流还可以进工微调逐周限流。逐周巳流电路用输出 MOSFET的导通电阻作为取样电阻，限流比较器MOSFET导通时的漏源电压VDS（ON）与阈值电压进行比较。漏极电流过大时漏源电压VDS（ON）超过阈值电压，输出MOSFET关断，直到下一个周期输出MOSFET才能导通。 7过流保护电路：过流比较器的反相输入端接极限电压（又称阀值电压）VLIMIT，同相输入端接MOSFET的漏极。这里巧妙地利用MOSFET的漏-源导通电阻RDS（ON）来代替外部过流检测电阻RS。当ID过大时，VDS（ON）>VLIMIT，过流比较器翻转，输出变成高电平，经过Y2、H，将触发器置零，进而使MOSFET关断，起到过流保护作用。 8过热保护电路：当结温超过热关断温度（135）时模拟电路将关断输出MOSFET。9 关断自动重新启动电路：为了减少TOPSwitch的功耗，当超过调整状态时犬断自动重新启动电路将以5的占空比接通和关断电源。 10高压偏流源：在启动期间该电流源从漏极脚偏置 TOPSWitch，并对 CONTROL脚的外接电容CT充电。2.4 单片开关电源的基本原理及反馈电路类型 下面介绍单片开关电源的基本工作原理及反馈电路的四种基本类型。2.4.1 单片开关电源的基本原理TOPSwitch系列单片开关电源的典型应用如图24所示。高频变压器在电路中具备能量储存、隔离输出和电压变换这三大功能。该电路属于单端反激式开关电源。所谓单端是指TOPSwitch只有一个脉宽调制信号功率输出端漏极D。反激式则是指当TOPSwitch导通时，电能就以磁场能量形式储存在初级绕组中；当TOPSwitch截止时，能量传输给次级。由于开关频率高达100kHz，使得高频变压器能够快速储存、释放能量，经高频整流滤波后即可获得连续输出。图中，BR为整流桥，C1为输入端滤波电容。交流电压u经过整流滤波后得到直流高压V1，经初级绕组加至TOPSwitch的漏极上。由于在TOPSwitch关断时刻，高频变压器漏感产生的尖峰电压会叠加在直流高压VI和感应电压VOR上，可使功率开关管的漏极电压超过700V而损坏芯片；为此在初级绕组两端必须增加漏极钳位保护电路。钳位电路由瞬态电压抑制器（VR1）、快恢复二极管D1组成。D2为次级整流管，C2为输出端滤波电容。该电路采用配稳压管的光耦反馈电路。反馈绕组电压经过D3、C3整流滤波后获得反馈电压VFB，经光耦合器中的光敏三极管给TOPSwitch的VOD2控制端提供偏压。C4是控制端C的旁路电容。设稳压管VR2的稳压电压VR1D1C3C4LEDR1D3C2VR2RTNTC1BRC1图24 单片开关电源典型应用电路为VZ，限流电阻R1两端的压降为VR，光耦合器中LED发光二极管的正向压降为VF，输出电压VO由下式设定：VO=VZ+VF+VR (21) 该电源的稳压原理简述如下：当由于某种原因（如交流电压升高或负载变轻）致使VO升高时，因VZ不变，故VF就随之升高，使LED的工作电流IF 增大，再通过光耦合器使TOPSwitch的控制端电流IC增大。但因TOPSwitch的输出占空比D与IC成反比，故D减小，这就迫使VO降低，达到稳压目的。反之，同理也可达到稳压目的。由此可见，反馈电路正是通过调节TOPSwitch的占空比，使输出电压趋于稳定的。 2.4.2 反馈电路的四种基本类型 单片开关电源的电路可以千变万化，但其反馈电路只有四种基本类型：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；配TL431的精密光耦反馈电路。它们的简化电路如图15（a）（d）所示。图25 反馈电路的四种类型（1）基本反馈电路是利用反馈绕组间接获取输出电压的变化信号，因此不需要使用光耦合器。该方案的电路最为简单，但开关电源的稳定性不高，难于把负载调整率SI降至±5以下。若仅为改善轻载时的负载调整率，可在输出端并联一只合适的稳压管，使其稳定电压UZ=UO，此时轻载下的SI<± 5 。 （2）改进型基本反馈电路只需增加一只稳压管VDZ和电阻R1，即可使负载调整率达到±2%。VDZ的稳定电压一般为22V，需相应增加反馈绕组的匝数，以获得较高的反馈电压VFB，满足电路的需要。 （3）配稳压管的光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（UF）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TL431的250V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。 在设计单片开关电源时，应根据实际情况来选择合适的反馈电路，才能达到规定的技术指标和经济指标。第三章 三端单片开关电源的设计 研制开发单片开关电源的关键技术在于掌握起电路设计方法，并能对调试、使用过程中出现的各种故障进行分析与排除。单片开关电源在整机电路设计、高频变压器设计、反馈电路、保护电路、关键元器件的选择等方面有许多独特之处。本章主要介绍单片开关电源的快速设计法、高频变压器的设计以及多路输出式开关电源的设计实例，这是单片开关电源的关键技术。3.1 单片开关电源的快速设计法在设计开关电源时，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，还为选择散热器提供了依据。3.1.1 TOPSwitchII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，230V±15。1 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31、图32所示。这里假定交流输入电压最小值Uimin=85V，最高交流输入电压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）。图31 宽范围输入且输出为5V时PD与、PO的关系曲线图32 宽范围输入且输出为12V时PD与、PO的关系曲线2 固定输入时PD与、PO的关系曲线TOP221TOP227系列在固定交流输入（230V±15）条件下，当UO=5V或12V时，PD与、PO的关系曲线分别如图33、图34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。图33 固定输入且输出为5V时PD与、PO的关系曲线图34固定输入且输出为12V时PD与、PO的关系曲线3.1.2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31。而当Ui=220V(即230V230V×43)，UO=12V时，就只能选图34；（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，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。     例：计算TOPswitchII的结温这里讲的结温是指管芯温度Tj。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=PD·RATA       (31)举例说明，TOP225的设计功耗为17W，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。3.1.3根据输出功率比来修正等效输出功率等参数1 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31和图32规定的Uimin=85V，而图3与图4规定Uimin=195V（即230V230V×15）。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35、图36中的实线所示。需要说明几点：（1）图35和图36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。图35 宽范围输入时K与Umin的关系图36 固定输入时K与Umin的关系（2）当Uimin>Uimin时K>1，即PO>PO，这表明原来选中的芯片此时已具有更大的可用功率，必要时可选输出功率略低的芯片。（3）设初级电压为UOR，其典型值为135V。但在Uimin<85V时，受TOPSwitchII调节占空比能力的限制，UOR会按线性规律降低UOR。此时折算系数K=UOR/UOR<1。图35和图36中的虚线表示UOR/UOR与Uimin的特性曲线，利用它可以修正初级感应电压值。    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35、图36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        （32）    （3）最后从图31图34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：设计12V，35W的通用开关电源已知Uimin=85V，假定Uimin=90×115V=1035V。从图35中查出K=115。将PO=35W、K=115一并代入式（2）中，计算出PO=304W。再根据PO值，从图32上查出最佳选择应是TOP224型芯片，此时=816，PD=2W。若选TOP223，则降至735,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。2 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31，这些数值可做为初选值。当Uimin<Uimin时，由于电源效率和功率损耗均发生了变化，因此还需要对初级电感量LP进行修正。有公式：LP=KLP           （33）表31 高频变压器及其相关元件参数的典型值参            数TOP221TOP222TOP223TOP224TOP225TOP226TOP227高频变压器初级电感LP（H）8650440022001475110088015高频变压器初级泄漏电感 LPO（H）175904530221815次级开路时高频变压的谐振频率fo（kHz）400450500550600650700初级级圈电阻RP（m）50001800650350250175140次级级圈电阻Rs（m）2012754353输出滤波电感的直流电阻RL1（m）40322520161310共模扼流圈的直流电阻RL2(m)400370333300267233200查表31可知，使用TOP224时，LP=1475H。当K=115时，LP=115×1475=1696H。表32 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）3550光敏三极管的发射极电流IE（mA)3550    （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、光敏三极管发射极电流IE也产生变化。此时应根据表32对IF、IE进行重新调整。TOPSwitchII独立于Ui、PO的电源参数值，见表33。这些参数一般不受Uimin变化的影响。表33 独立于Ui、PO的电源参数值独立参数典型值开关频率f(kHz)100输入保护电路的箝位电压UB(V