TOPSwitch-GX在仪器电源中的设计应用

2011-10-16门秀萍

赤峰学院学报·自然科学版 2011年11期

关键词：匝数偏置输出功率

门秀萍

（安徽财经大学管理科学与工程学院，安徽蚌埠 233030）

TOPSwitch-GX在仪器电源中的设计应用

门秀萍

（安徽财经大学管理科学与工程学院，安徽蚌埠 233030）

本文介绍了TOPSwitch-GX的工作原理及功能特点，并叙述了其在仪器开关电源设计中的具体设计应用.

TOPSwitch-GX；反激变换器；仪器电源

1 引言

开关电源以高效节能、体积小而著称，成为稳压电源的发展方向.伴随着集成电路技术的发展，开关电源不仅实现了控制电路的集成，而且向单片开关电源集成.单片开关电源具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标等优点.本文介绍了美国PI（Power Integrations）公司推出的功能强大的集成开关电源芯片TOPSwitch-GX.

2 TOPSwitch-GX系列简介

TOPSwitch-GX采用了ECOMART集成电路技术，把高压功率MOSFET、PWM控制器、故障保护电路以及其他控制电路集成到单个CMOS芯片中，从而方便了设计，提高了设计的灵活性.TOPSwitch-GX产品包括top242-top250 9个品种，TOPSwitch-GX不仅具备以前TOPSwitch的全部优点，而且将最大输出功率扩展到250W；开关频率提高到132KHZ；在负载很轻时，能自动降低开关频率（全频模式下，从132KHZ降到30KHZ，半频模式下，从66KHZ降到15KHZ），进一步降低了芯片的损耗；

TOPSwitch-GX Y型封装内部功能结构框图如图1所示，对于Y型，新增加了线路检测端和极限电流设定端.P/G型封装把开关频率选择端F、极限电流设定端X、线路检测端L结合为一个多功能端M，但其内部结构原理与Y型封装类似.

TOPSwitch-GX的控制端（C）是一个低阻抗节点，用于接受工作电源电流和反馈电流.与其相连的内部并联调整器/误差放大器，能将反馈电流与工作电流分离出来，反馈电流在RE上产生压降，经过滤波，送入PWM比较器中，实现脉冲宽度的调制，达到稳压的目的.

图1 Y型封装和内部功能结构框图

频率选择端（F）与源极（S）相连时，开关电源工作在全频方式，频率是132KHZ；当与控制极连接时，为半频工作方式，即频率为66KHZ.后者适用于开关频率较低，对噪声敏感的视频设备中，在TOPSwitch-GX进入待机模式下也选择半频，以降低功耗.轻载频率降低转换电路是在占空比低于10%时，为了保持轻载时高效率，频率将线性减少，直至降到占空比为0时的最小频率30KHZ（全频模式）和15KHZ（半频模式）.

外部电流设置端（X）主要有两个功能：外部电流限制和远程通/断控制.

线电压检测端（L）外部通过电阻连接在直流高压线路上，设定过压/欠压阈值；内部增加了开启电压为1V的电压比较器，也可以用于远程通/断控制.如果要屏蔽这两端的功能，可以与源极连接.

频率抖动振荡器是通过一个内部电容线性充放电，产生锯齿波，并送入PWM比较器.频率抖动是指频率在4KHZ窄范围内以250HZ被调制，抖动功能能显著地减少电磁干扰.与频率抖动振荡器连接的停止逻辑电路使之工作更为可靠.

滞后热关断是由精密模拟电路构成的，当MOSFET的结温大于140℃时，过热关断电路就将MOSFET关断；当结温降到70℃时，芯片才恢复正常工作.这种温度滞后特性有效地防止了因反复出现故障而使印制板过热.

软启动电路在启动10mS内，最大占空比从0开始线性增加到典型值78%，限制电流也从85%左右线性增加到100%，另外软启动电路在远程关断或热关断以及控制电压滞后调节后重启动也被激活.软启动电路有效地降低了启动时对MOSFET、钳位电路的冲击电压和电流，并防止了变压器的饱和.关断/自动重启动是为了把损耗降到最低，在缺乏持续调节的环境中，将电源以4%的占空比开通和关断.

3 基于TOP249Y芯片的反激变换器的拓扑结构及工作原理

基于TOP249Y设计了一反激变换器，原理图如图2所示.交流电压经过V1整流和C1滤波后得到的直流高压经过变压器TI斩波、能量传递和电压变换后,获得次级所需的交流电压，再经过整流滤波后，得到需要的稳定直流电压.R29、C2、V2和V3用来箝位和吸收变压器漏感引起的尖峰电压，防止损坏TOP249Y.变压器次级线圈T1-12，T1-11通过 V4、C7、C8、L1、C9 得到 5V 输出电压，变压器次级线圈 T1-10，T1-9 通过 V5、C10、C11、L2、C12得到15V输出电压，变压器次级线圈T1-8，T1-7通过 V6、C13、C14、L3、C15 得到 -15V 输出电压，偏置线圈T1-5，T1-4两端电压经V17、C33整流滤波，提供TOP249Y所需的偏置电压.R16、C27与控制端阻抗ZC设置自启动周期，主路电压通过电阻R11、R12、电路 N3（TL431）和光藕 N2（PC817A）进行电压取样和反馈，以达到闭环控制的需要.通过电阻R19进行输入电压检测，从而实现输入过压和欠压保护的目的，通过电阻R20，R21进行外部电流限制.软启动电容C37防止输出电压过压.

图2 原理图

4 基于TOPSwitch-GX芯片的反激变换器的设计方法及步骤

根据以上电路设计了试验样机，输入电压VC为85～265VAC、输入频率为50Hz，工作频率fs为100kHz，输出电压Vo为5V/5A、15V/2和 -15V/1A，自然风冷.工作温度0~50°C.

(1)根据输出功率表选择合适的TOPSwitch-GX芯片，由于输出功率为70W，根据图表可以选择TOP248Y，TOP249Y和TOP250Y，为了留有设计余量选择TOP249Y.

表1 输出功率表

(2)根据通用输入85～265VAC条件下，按输出功率值的瓦特数乘上2～3μF的原则选择输入电容为400V/180μF.

(3)确定原边绕组电感量Lp.

式中，E是电网输入整流滤波后的直流高压，取值EMAX＝375V；T是高频开关电源的工作周期，取值 T＝10μs（即工作频率＝100kHz）；TON是主功率开关导通时间，设最大占空比为0.45，则最大导通时间为4.5μs；PIN是电源的输入功率，它与输出功率 PO的关系式为：PO＝ηPIN，取效率 η＝0.8，PO＝56W，则PIN＝87.5W，代入上式得到：

(4)因为反激式变换器的功率通常较小，一般选用铁氧体磁芯作为变压器，其功率容量(Ap)计算式如下：

式中，Po是变压器的输出功率（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饱和磁通密度；η是变压器的效率，取0.8；fs是变换器的开关频率，取100kHz；δ是绕组的电流密度，取2.0A/mm2；Km是窗口的铜填充系数，取值为0.4；KC是磁芯填充系数，KC对于铁氧体＝1.0.