TOPSwitch-GX在儀器電源中的設(shè)計應(yīng)用

門秀萍

（安徽財經(jīng)大學(xué) 管理科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 蚌埠 233030）

TOPSwitch-GX在儀器電源中的設(shè)計應(yīng)用

門秀萍

（安徽財經(jīng)大學(xué) 管理科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 蚌埠 233030）

本文介紹了TOPSwitch-GX的工作原理及功能特點，并敘述了其在儀器開關(guān)電源設(shè)計中的具體設(shè)計應(yīng)用.

TOPSwitch-GX；反激變換器；儀器電源

1 引言

開關(guān)電源以高效節(jié)能、體積小而著稱，成為穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向.伴隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)電源不僅實現(xiàn)了控制電路的集成，而且向單片開關(guān)電源集成.單片開關(guān)電源具有高集成度、高性價比、最簡外圍電路、最佳性能指標等優(yōu)點.本文介紹了美國PI（Power Integrations）公司推出的功能強大的集成開關(guān)電源芯片TOPSwitch-GX.

2 TOPSwitch-GX系列簡介

TOPSwitch-GX采用了ECOMART集成電路技術(shù)，把高壓功率MOSFET、PWM控制器、故障保護電路以及其他控制電路集成到單個CMOS芯片中，從而方便了設(shè)計，提高了設(shè)計的靈活性.TOPSwitch-GX產(chǎn)品包括top242-top250 9個品種，TOPSwitch-GX不僅具備以前TOPSwitch的全部優(yōu)點，而且將最大輸出功率擴展到250W；開關(guān)頻率提高到132KHZ；在負載很輕時，能自動降低開關(guān)頻率（全頻模式下，從132KHZ降到30KHZ，半頻模式下，從66KHZ降到15KHZ），進一步降低了芯片的損耗；

TOPSwitch-GX Y型封裝內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，對于Y型，新增加了線路檢測端和極限電流設(shè)定端.P/G型封裝把開關(guān)頻率選擇端F、極限電流設(shè)定端X、線路檢測端L結(jié)合為一個多功能端M，但其內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理與Y型封裝類似.

TOPSwitch-GX的控制端（C）是一個低阻抗節(jié)點，用于接受工作電源電流和反饋電流.與其相連的內(nèi)部并聯(lián)調(diào)整器/誤差放大器，能將反饋電流與工作電流分離出來，反饋電流在RE上產(chǎn)生壓降，經(jīng)過濾波，送入PWM比較器中，實現(xiàn)脈沖寬度的調(diào)制，達到穩(wěn)壓的目的.

圖1 Y型封裝和內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)框圖

頻率選擇端（F）與源極（S）相連時，開關(guān)電源工作在全頻方式，頻率是132KHZ；當(dāng)與控制極連接時，為半頻工作方式，即頻率為66KHZ.后者適用于開關(guān)頻率較低，對噪聲敏感的視頻設(shè)備中，在TOPSwitch-GX進入待機模式下也選擇半頻，以降低功耗.輕載頻率降低轉(zhuǎn)換電路是在占空比低于10%時，為了保持輕載時高效率，頻率將線性減少，直至降到占空比為0時的最小頻率30KHZ（全頻模式）和15KHZ（半頻模式）.

外部電流設(shè)置端（X）主要有兩個功能：外部電流限制和遠程通/斷控制.

線電壓檢測端（L）外部通過電阻連接在直流高壓線路上，設(shè)定過壓/欠壓閾值；內(nèi)部增加了開啟電壓為1V的電壓比較器，也可以用于遠程通/斷控制.如果要屏蔽這兩端的功能，可以與源極連接.

頻率抖動振蕩器是通過一個內(nèi)部電容線性充放電，產(chǎn)生鋸齒波，并送入PWM比較器.頻率抖動是指頻率在4KHZ窄范圍內(nèi)以250HZ被調(diào)制，抖動功能能顯著地減少電磁干擾.與頻率抖動振蕩器連接的停止邏輯電路使之工作更為可靠.

滯后熱關(guān)斷是由精密模擬電路構(gòu)成的，當(dāng)MOSFET的結(jié)溫大于140℃時，過熱關(guān)斷電路就將MOSFET關(guān)斷；當(dāng)結(jié)溫降到70℃時，芯片才恢復(fù)正常工作.這種溫度滯后特性有效地防止了因反復(fù)出現(xiàn)故障而使印制板過熱.

軟啟動電路在啟動10mS內(nèi)，最大占空比從0開始線性增加到典型值78%，限制電流也從85%左右線性增加到100%，另外軟啟動電路在遠程關(guān)斷或熱關(guān)斷以及控制電壓滯后調(diào)節(jié)后重啟動也被激活.軟啟動電路有效地降低了啟動時對MOSFET、鉗位電路的沖擊電壓和電流，并防止了變壓器的飽和.關(guān)斷/自動重啟動是為了把損耗降到最低，在缺乏持續(xù)調(diào)節(jié)的環(huán)境中，將電源以4%的占空比開通和關(guān)斷.

3 基于TOP249Y芯片的反激變換器的拓撲結(jié)構(gòu)及工作原理

基于TOP249Y設(shè)計了一反激變換器，原理圖如圖2所示.交流電壓經(jīng)過V1整流和C1濾波后得到的直流高壓經(jīng)過變壓器TI斬波、能量傳遞和電壓變換后,獲得次級所需的交流電壓，再經(jīng)過整流濾波后，得到需要的穩(wěn)定直流電壓.R29、C2、V2和V3用來箝位和吸收變壓器漏感引起的尖峰電壓，防止損壞TOP249Y.變壓器次級線圈T1-12，T1-11通過 V4、C7、C8、L1、C9 得到 5V 輸出電壓，變壓器次級線圈 T1-10，T1-9 通過 V5、C10、C11、L2、C12得到15V輸出電壓，變壓器次級線圈T1-8，T1-7通過 V6、C13、C14、L3、C15 得到 -15V 輸出電壓，偏置線圈T1-5，T1-4兩端電壓經(jīng)V17、C33整流濾波，提供TOP249Y所需的偏置電壓.R16、C27與控制端阻抗ZC設(shè)置自啟動周期，主路電壓通過電阻R11、R12、電路 N3（TL431）和光藕 N2（PC817A）進行電壓取樣和反饋，以達到閉環(huán)控制的需要.通過電阻R19進行輸入電壓檢測，從而實現(xiàn)輸入過壓和欠壓保護的目的，通過電阻R20，R21進行外部電流限制.軟啟動電容C37防止輸出電壓過壓.

圖2 原理圖

4 基于TOPSwitch-GX芯片的反激變換器的設(shè)計方法及步驟

根據(jù)以上電路設(shè)計了試驗樣機，輸入電壓VC為85～265VAC、輸入頻率為50Hz，工作頻率fs為100kHz，輸出電壓Vo為5V/5A、15V/2和 -15V/1A，自然風(fēng)冷.工作溫度0~50°C.

(1)根據(jù)輸出功率表選擇合適的TOPSwitch-GX芯片，由于輸出功率為70W，根據(jù)圖表可以選擇TOP248Y，TOP249Y和TOP250Y，為了留有設(shè)計余量選擇TOP249Y.

表1 輸出功率表

(2)根據(jù)通用輸入85～265VAC條件下，按輸出功率值的瓦特數(shù)乘上2～3μF的原則選擇輸入電容為400V/180μF.

(3)確定原邊繞組電感量Lp.

式中，E是電網(wǎng)輸入整流濾波后的直流高壓，取值EMAX＝375V；T是高頻開關(guān)電源的工作周期，取值 T＝10μs（即工作頻率＝100kHz）；TON是主功率開關(guān)導(dǎo)通時間，設(shè)最大占空比為0.45，則最大導(dǎo)通時間為4.5μs；PIN是電源的輸入功率，它與輸出功率 PO的關(guān)系式為：PO＝ηPIN，取效率 η＝0.8，PO＝56W，則PIN＝87.5W，代入上式得到：

(4)因為反激式變換器的功率通常較小，一般選用鐵氧體磁芯作為變壓器，其功率容量(Ap)計算式如下：

式中，Po是變壓器的輸出功率（W）取56（W）；Bm是最大磁通密度（G），取1950G，即工作磁通密度取一半的飽和磁通密度；η是變壓器的效率，取0.8；fs是變換器的開關(guān)頻率，取100kHz；δ是繞組的電流密度，取2.0A/mm2；Km是窗口的銅填充系數(shù)，取值為0.4；KC是磁芯填充系數(shù)，KC對于鐵氧體＝1.0.

PQ2625的功率容量乘積為0.99.比數(shù)值大2倍，如果按50%的余量計算，在100kHz開關(guān)頻率工作時，輸出功率可達97.5W，所以選擇該磁芯是充分留有設(shè)計余量的，磁芯不會飽和.

(5)變壓器初級繞組上的最大峰值電流：

TOP249Y的標稱峰值電流為5A，所以不會超過其電流限制，設(shè)計合理.

(6)原邊繞組匝數(shù)Np由下式?jīng)Q定：

式中，Ae是變壓器的有效截面積.PQ2625的Ae值為1.18cm2；

取40匝.

(7)副邊繞組匝數(shù)Ns、偏置繞組的匝數(shù)NB：

式中，輸出電壓VO分別為5V，15V，-15V；輸出二極管正向電壓VD為0.75V，1V；反射輸出電壓設(shè)為60V；偏置電壓VB為12V和偏置二極管電壓VBD為0.75V.經(jīng)公式計算次級繞組和偏置繞組匝數(shù)分別如下：5V繞組匝數(shù)為4匝，15V和-15V繞組匝數(shù)為11匝，偏置繞組匝數(shù)為9匝.

(8)變壓器磁芯的氣隙長度Lg(mm)的大小可由下式計算出來：

取氣隙為3mm.

5 實驗結(jié)果

通過用Lecroy公司生產(chǎn)的電源專用示波器測試，得到本電源設(shè)計的主要試驗結(jié)果如下（在主副路均不加線性穩(wěn)壓的情況下）：輸出功率PO為71.45W；空載損耗小于2W；效率大于85%.

6 結(jié)束語

由于TOPSwitch-GX芯片內(nèi)部完全集成了SMPS的全部功能，所以利用它設(shè)計出的開關(guān)電源周期短，成本低，對于小功率電源，簡單，體積小，重量輕.隨著TOPSwitch-GX開關(guān)系列的不斷發(fā)展與改進，其在開關(guān)電源及其它應(yīng)用領(lǐng)域中必將有著更加燦爛的前景.

〔1〕PI公司.TOPSwitch-GX產(chǎn)品手冊.2005.

TN86

A

1673-260X（2011）11-0135-03