單片開關(guān)電源設(shè)計(jì)法研究論文

時間:2022-09-29 06:19:00

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單片開關(guān)電源設(shè)計(jì)法研究論文

要:單片開關(guān)電源是國際上90年代才開始流行的新型開關(guān)電源芯片。本文闡述其快速設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞:單片開關(guān)電源快速設(shè)計(jì)

TOPSwithⅡ

TheWayofQuickDesignforSinglechipSwitchingPowerSupplyAbctract:Threeendssinglechipswitchingpowersupplyisnewtypeswitchingpowersupplycorewhichhasbeenpopularsince1990.Thispaperintroducesquickdesignforsinglechipswitchingpowersupply.

Keywords:Singlechipswitchingpowersupply,Quickdesign,TopswithⅡ

在設(shè)計(jì)開關(guān)電源時,首先面臨的問題是如何選擇合適的單片開關(guān)電源芯片,既能滿足要求,又不因選型不當(dāng)而造成資源的浪費(fèi)。然而,這并非易事。原因之一是單片開關(guān)電源現(xiàn)已形成四大系列、近70種型號,即使采用同一種封裝的不同型號,其輸出功率也各不相同;原因之二是選擇芯片時,不僅要知道設(shè)計(jì)的輸出功率PO,還必須預(yù)先確定開關(guān)電源的效率η和芯片的功率損耗PD,而后兩個特征參數(shù)只有在設(shè)計(jì)安裝好開關(guān)電源時才能測出來,在設(shè)計(jì)之前它們是未知的。

下面重點(diǎn)介紹利用TOPSwitch-II系列單片開關(guān)電源的功率損耗(PD)與電源效率(η)、輸出功率(PO)關(guān)系曲線,快速選擇芯片的方法,可圓滿解決上述難題。在設(shè)計(jì)前,只要根據(jù)預(yù)期的輸出功率和電源效率值,即可從曲線上查出最合適的單片開關(guān)電源型號及功率損耗值,這不僅簡化了設(shè)計(jì),還為選擇散熱器提

η/%(Uimin=85V)

中圖法分類號:TN86文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編碼:02192713(2000)0948805

PO/W

供了依據(jù)。

1TOPSwitch-II的PD與η、PO關(guān)系曲線

TOPSwitch-II系列的交流輸入電壓分寬范圍輸入(亦稱通用輸入),固定輸入(也叫單一電壓輸入)兩種情況。二者的交流輸入電壓分別為Ui=85V~265V,230V±15%。

1.1寬范圍輸入時PD與η,PO的關(guān)系曲線

TOP221~TOP227系列單片開關(guān)電源在寬范圍輸入(85V~265V)的條件下,當(dāng)UO=+5V或者+12V時,PD與η、PO的關(guān)系曲線分別如圖1、圖2所示。這里假定交流輸入電壓最小值Uimin=85V,最高

η/%(Uimin=85V)

η/%(Uimin=195V)

交流輸入電壓Uimax=265V。圖中的橫坐標(biāo)代表輸出功率PO,縱坐標(biāo)表示電源效率η。所畫出的7條實(shí)線分別對應(yīng)于TOP221~TOP227的電源效率,而15條虛線均為芯片功耗的等值線(下同)。

1.2固定輸入時PD與η、PO的關(guān)系曲線

TOP221~TOP227系列在固定交流輸入(230V±15%)條件下,當(dāng)UO=+5V或+12V時,PD與η、PO的關(guān)系曲線分別如圖3、圖4所示。這兩個曲線族對于208V、220V、240V也同樣適用。現(xiàn)假定Uimin=195V,Uimax=265V。

2正確選擇TOPSwitch-II芯片的方法

利用上述關(guān)系曲線迅速確定TOPSwitch-II芯片型號的設(shè)計(jì)程序如下:

(1)首先確定哪一幅曲線圖適用。例如,當(dāng)Ui=85V~265V,UO=+5V時,應(yīng)選擇圖1。而當(dāng)Ui=220V(即230V-230V×4.3%),UO=+12V時,就只能選圖4;

(2)然后在橫坐標(biāo)上找出欲設(shè)計(jì)的輸出功率點(diǎn)位置(PO);

(3)從輸出功率點(diǎn)垂直向上移動,直到選中合適芯片所指的那條實(shí)曲線。如不適用,可繼續(xù)向上查找另一條實(shí)線;

(4)再從等值線(虛線)上讀出芯片的功耗PD。進(jìn)而還可求出芯片的結(jié)溫(Tj)以確定散熱片的大小;

(5)最后轉(zhuǎn)入電路設(shè)計(jì)階段,包括高頻變壓器設(shè)計(jì),外圍元器件參數(shù)的選擇等。

下面將通過3個典型設(shè)計(jì)實(shí)例加以說明。

例1:設(shè)計(jì)輸出為5V、300W的通用開關(guān)電源

通用開關(guān)電源就意味著交流輸入電壓范圍是85V~265V。又因UO=+5V,故必須查圖1所示的曲線。首先從橫坐標(biāo)上找到PO=30W的輸出功率點(diǎn),然后垂直上移與TOP224的實(shí)線相交于一點(diǎn),由縱坐標(biāo)上查出該點(diǎn)的η=71.2%,最后從經(jīng)過這點(diǎn)的那條等值線上查得PD=2.5W。這表明,選擇TOP224就能輸出30W功率,并且預(yù)期的電源效率為71.2%,芯片功耗為2.5W。

若覺得η=71.2%的效率指標(biāo)偏低,還可繼續(xù)往上查找TOP225的實(shí)線。同理,選擇TOP225也能輸出30W功率,而預(yù)期的電源效率將提高到75%,芯片功耗降至1.7W。

根據(jù)所得到的PD值,進(jìn)而可完成散熱片設(shè)計(jì)。這是因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)前對所用芯片功耗做出的估計(jì)是完全可信的。

根據(jù)已知條件,從圖4中可以查出,TOP223是最佳選擇,此時PO=30W,η=85.2%,PD=0.8W。

例3:計(jì)算TOPswitch-II的結(jié)溫

這里講的結(jié)溫是指管芯溫度Tj。假定已知從結(jié)到器件表面的熱阻為RθA(它包括TOPSwitch-II管芯到外殼的熱阻Rθ1和外殼到散熱片的熱阻Rθ2)、環(huán)境溫度為TA。再從相關(guān)曲線圖中查出PD值,即可用下式求出芯片的結(jié)溫:

Tj=PD·RθA+TA(1)

舉例說明,TOP225的設(shè)計(jì)功耗為1.7W,RθA=20℃/W,TA=40℃,代入式(1)中得到Tj=74℃。設(shè)計(jì)時必須保證,在最高環(huán)境溫度TAM下,芯片結(jié)溫Tj低于100℃,才能使開關(guān)電源長期正常工作。

3根據(jù)輸出功率比來修正等效輸出功率等參數(shù)

3.1修正方法

如上所述,PD與η,PO的關(guān)系曲線均對交流輸入電壓最小值作了限制。圖1和圖2規(guī)定的Uimin=85V,而圖3與圖4規(guī)定Uimin=195V(即230V-230V×15%)。若交流輸入電壓最小值不符合上述規(guī)定,就會直接影響芯片的正確選擇。此時須將實(shí)際的交流輸入電壓最小值Uimin′所對應(yīng)的輸入功率PO′,折算成Uimin為規(guī)定值時的等效功率PO,才能使用上述4圖。折算系數(shù)亦稱輸出功率比(PO′/PO)用K表示。TOPSwitch-II在寬范圍輸入、固定輸入兩種情況下,K與U′min的特性曲線分別如圖5、圖6中的實(shí)線所示。需要說明幾點(diǎn):

(1)圖5和圖6的額定交流輸入電壓最小值Uimin依次為85V,195V,圖中的橫坐標(biāo)僅標(biāo)出Ui在低端的電壓范圍。

(2)當(dāng)Uimin′>Uimin時K>1,即PO′>PO,這表明原來選中的芯片此時已具有更大的可用功率,必要時可選輸出功率略低的芯片。當(dāng)Uimin′(3)設(shè)初級電壓為UOR,其典型值為135V。但在Uimin′<85V時,受TOPSwitch-II調(diào)節(jié)占空比能力的限制,UOR會按線性規(guī)律降低UOR′。此時折算系數(shù)K="UOR′"/UOR<1。圖5和圖6中的虛線表示UOR′/UOR與Uimin′的特性曲線,利用它可以修正初級感應(yīng)電壓值。

現(xiàn)將對輸出功率進(jìn)行修正的工作程序歸納如下:

(1)首先從圖5、圖6中選擇適用的特性曲線,然后根據(jù)已知的Uimin′值查出折算系數(shù)K。

(2)將PO′折算成Uimin為規(guī)定值時的等效功率PO,有公式

PO=PO′/K(2)

(3)最后從圖1~圖4中選取適用的關(guān)系曲線,并根據(jù)PO值查出合適的芯片型號以及η、PD參數(shù)值。

下面通過一個典型的實(shí)例來說明修正方法。

例4:設(shè)計(jì)12V,35W的通用開關(guān)電源

已知Uimin=85V,假定Uimin′=90%×115V=103.5V。從圖5中查出K=1.15。將PO′=35W、K=1.15一并代入式(2)中,計(jì)算出PO=30.4W。再根據(jù)PO值,從圖2上查出最佳選擇應(yīng)是TOP224型芯片,此時η=81.6%,PD=2W。

若選TOP223,則η降至73.5%,PD增加到5W,顯然不合適。倘若選TOP225型,就會造成資源浪費(fèi),因?yàn)樗萒OP224的價格要高一些,且適合輸出40W~60W的更大功率。

3.2相關(guān)參數(shù)的修正及選擇

(1)修正初級電感量

在使用TOPSwitch-II系列設(shè)計(jì)開關(guān)電源時,高頻變壓器以及相關(guān)元件參數(shù)的典型情況見表1,這些數(shù)值可做為初選值。當(dāng)Uimin′LP′=KLP(3)

查表1可知,使用TOP224時,LP=1475μH。當(dāng)K=1.15時,LP′=1.15×1475=1696μH。

表2光耦合器參數(shù)隨Uimin′的變化

最低交流輸入電壓Uimin(V)85195

LED的工作電流IF(mA)3.55.0

光敏三極管的發(fā)射極電流IE(mA)3.55.0

(2)對其他參數(shù)的影響

當(dāng)Uimin的規(guī)定值發(fā)生變化時,TOPSwitch-II的占空比亦隨之改變,進(jìn)而影響光耦合器中的LED工作電流IF、光敏三極管發(fā)射極電流IE也產(chǎn)生變化。此時應(yīng)根據(jù)表2對IF、IE進(jìn)行重新調(diào)整。

TOPSwitch-II獨(dú)立于Ui、PO的電源參數(shù)值,見表3。這些參數(shù)一般不受Uimin變化的影響。

表3獨(dú)立于Ui、PO的電源參數(shù)值

獨(dú)立參數(shù)典型值

開關(guān)頻率f(kHz)100

輸入保護(hù)電路的箝位電壓UB(V)200

輸出級肖特基整流二極管的正向壓降UF(V)0.4

初始偏置電壓UFB(V)16

(3)輸入濾波電容的選擇

參數(shù)TOP221TOP222TOP223TOP224TOP225TOP226TOP227

高頻變壓器初級電感LP(μH)86504400220014751100880740

高頻變壓器初級泄漏電感LPO(μH)175904530221815

次級開路時高頻變壓器的諧振頻率fO(kHz)400450500550600650700

初級線圈電阻RP(mΩ)50001800650350250175140

次級線圈電阻RS(mΩ)20127543.53

輸出濾波電感的直流電阻RL1(mΩ)40322520161310

共模扼流圈的直流電阻RL2(mΩ)400370333300267233200