基于TOP202Y的笔记本电脑电池充电器设计

孟武胜，何 潇，杨 阳，李 艳

(西北工业大学自动化学院，西安 710072)

1 引言

随着科技的不断发展，笔记本电脑的电池会由外置变为内置，这就需要电压的下降来支持，而电压的下降又是需要电源供电的可靠性来提供的，这就对电池充电器的要求越来越高，恒功率型单片开关电源对于笔记本电池的充电可靠性提供了保障。

恒功率型单片开关电源的特点是:当输入电压Uo 降低时，利用恒功率控制电路迫使输出电流Io增大，使二者乘积Io×Uo 不变，输出功率Po 保持恒定。这种开关电源可作为高效、快速、安全的电池充电器，对笔记本电池进行充电。恒功率输出特性曲线近似为一条双曲线［4］。

TOP202Y 构成的15V、15W 横功率型开关电源电路如图1 所示。输入电压从15V(即100% ×Uo)降至7.5V(即50% × Uo)时，恒功率准确度可达±10%。恒功率控制电路由VT1、VT2、VDZ3－VDZ4、R1－R7 构成。VT1 工作在饱和区。VT1 和VT2 应选参数一致性很好的3DK4B 型开关管。R1为电流检测电阻，VT2 用来监视R1 上的电压降。该电路具有很好的温度补偿特性，能对VT1、VT2的偏压以及输出电压进行温度补偿［2］。

设计中，由于TOP202Y 芯片集成度高，设计工作主要是外围电路的设计。外围电路基本分为输入整流滤波电路、钳位保护电路、高频变压器、输出整流滤波电路、恒功率控制电路等部分［1］。

2 输入整流滤波电路设计

输入整流滤波电路包括交流滤波、整流、电容稳压三部分。如图2 所示。

交流滤波采用技术成熟的Ⅱ型滤波电路，具体参数如下:去除差模干扰的C8、C9为0.1μF/250V;去除共模干扰的C10、C11为10nF;滤波线圈L1为10～33mH，采取双线并绕。整流电路选择不可控的整流桥，整流二极管的反向耐压应大于400V，其承受的冲击电流应大于额定整流电流的7～10 倍。还应注意，选定的整流二极管的稳态电流容量应为计算值的两倍。

设计中，选择800V/3A的整流桥，或选用四个IN4007 作整流二极管构成整流桥。在当前的供电条件下，电容C1的值可根据输出功率按照1μF/W来取值，在考虑余量后，取C1=22μF/400V。交流电压输入范围为187V－253V［3］。

即:VACmin=187V，VACmax=253V

假设整流桥中二极管导通时间为tc=3ms，可由下两式得出输入直流电压最小值和最大值为:

式中:η——系统效率，可选择80%;

fL——交流电网频率;

P0——电源输出功率。

图1 15W 恒功率型开关电源的电路

图2 TOP202Y 整流滤波电路

3 箝位保护电路设计

当TOP202Y的功率MOSFET 管由导通变为截止时，在高频变压器T的初级绕组上会产生尖峰电压和反射电压，其中尖峰电压是由于高频变压器存在漏感而形成的，它与直流高压和反射电压叠加后很容易损坏MOSFET 管。为此，必须设计箝位保护电路，对尖峰电压进行箝位和吸收。

图3 中VD1 和VD2 构成的箝位电路可防止高压对TOP202Y的损坏，VD1 与VD2的选择由反射电压VOR决定。一般VOR取135V，VD1 箝位电压可由经验公式VCLO=1.5VOR得出，VD2的耐压值应大于最大直流输入电压。

图3 箝位保护电路

设计中VD1 采用反向击穿电压为200V的TVS(瞬态电压抑制器)P6KE200，VD2 采用反向耐压为600V的超快恢复二极管BYV26C。

(1)选磁芯

为满足TOP202Y 芯片100KHz的工作频率，选用锰锌铁氧体材料的磁芯。通常，输出功率和磁芯截面积有下面的经验公式:

式中:Ae——变压器磁芯的有效截面积(cm2);

PO——电源输出功率(W);

ηt——变压器的效率，一般取85%。

根据经验公式的计算，选择EI－28 铁氧体磁芯，其有效截面积大于Ae的计算值。

图4 变压器绕组

(2)计算最大占空比Dmax

式中:VOR——一次级反射到初级的反射电压，取135V;

VDS——MOSFET的漏－ 源极通态电压，取10V。

(3)计算变压器的初级自感LP

式中:fs——开关频率，取100KHz;

η——电源效率，可取80%。

(4)计算初、次级绕组匝数

对于AC220V 固定输入，次级绕组应取0.6 匝/V，输出电压Vo=15V，故求得

次级绕组匝数为:

Ns=0.6(Vo+0.7)=10 匝(取整后)

初级绕组匝数为:

反馈绕组匝数为:

VOR——初级反射电压;取135V;

VFB——反馈电压，取为10.4V。

(5)计算气隙长度

式中:Lg——气隙长度(mm)

μr——常数，4π×10－7H/m

Ae——磁芯截面积(mm2)

这里应注意:如果在中心柱开气隙，则高度为Lg;为了达到同样效果且简单易行，在两个外柱上应各垫1/2Lg 高度的绝缘垫片。

(6)确定导线线径

在100KHz 开关频率下，铜导线的穿透深度是0.21mm，故所选导线的直径要小于0.42mm。通过计算各绕组的平均电流(IAVG)、峰值电流(IP)、均方根电流(IRMS)可确定出所用导线的线径。本设计中初级绕组和反馈绕组用线径0.31mm的导线单股绕，次级绕组用线径为0.35mm的导线双股并绕。

4 输出整流滤波电路的设计

输出整流滤波电路由整流二极管和滤波电容构成。选用肖特基二极管作为整流二极管可以降低正向导通损耗，如图5 所示。此外，在降低反向恢复损耗以及消除输出电压中的纹波方面也有明显的性能优势［5］。选取的原则是根据最大反向峰值电压。次级绕组的反向峰值电压VSM为:

式中:VS——次级绕组输出电压;

VACmax——输入交流电压最大值

图5 输出滤波电路

本设计中整流二极管选用MUR420，其反向电压值VR=200V，工作电流ID=4A，满足设计要求。

对输出滤波电容而言，ESR(等效串联阻抗)和纹波电流是它的两个重要参数。当电容两端电压小于35V时，ESR 只与电容的体积有关，本设计选择细高型的120μF/35V 低ESR 电容。

输出滤波电感采用3.3μH的穿心电感，它是近年来问世的一种超小型的非晶合金磁性材料，又叫磁珠电感。其外形呈管状，引线穿心而过，其直流电阻非常小。它能主动抑制开关噪声的产生。

为减少共模干扰，在输出的地与高压侧的地之间接共模抑制电容。

5 恒功率控制部分

恒功率控制电路由5 部分组成(见图6):

图6 恒功率控制电路

(1)电压调节电路(IC2、VDZ2、R5)，利用带稳压管的光耦反馈电路使Uo 在恒压区内保持恒定。

(2)电压补偿电路(VDZ3、R6、R4)，可对VT2的发射结电压UBE2 进行补偿。

(3)电流检测电阻(R1)。

(4)带温度补偿的偏压电路(VT1、R2)，其作用是给VT2 提供偏置电压UB1，它的发射结压降UBE1 和UBE2相等且具有相同的温度系数。

(5)恒流源电路(VDZ4、R7、R3)，给偏压电路提供恒定的集电极电流IC1。

当Io 较小时，VT2 截止，而VDZ2 处于稳压区，开关电源工作在恒压方式下，Uo=15V，此时恒功率电路不工作。设VT2的基极偏压为UB2，仅当UB2 +UR1=UBE2时，VT2 才开始导通，而VDZ2立即截止，电路就从恒压控制迅速转入恒功率控制，并按下述正反馈工作流程工作。

Uo↓→Io↑→UR1 ↑→IF↓→IC↓→D↑→Io↑，使Po 保持不变。

6 分析和结论

通过对三端脱线式PWM 开关TOP Switch 系列器件的研究，将MOSFET 功率开关和PWM 控制器集成在一块芯片中，组成单片式开关电源，使得开关电源的效率和稳定性大幅度提高，同时大大降低了开关电源的成本、体积、重量。

［1］陈纬.TOP Switch 单片开关电源的原理及应用［J］.机械工程与自动化，2004(5).53－56.

［2］尚修香，侯振义.采用Topswitch 系列芯片的单片开关电源效率研究［J］.电子元器件应用，2007(10):78－80.

［3］曹丰文.TOPSwitch 单片开关电源及其应用［J］.苏州市职业大学学报，2002(1):52－56.

［4］张发生.由新型TOP224Y 构成12V/40W 开关电源［J］.湖南工程学院学报，2004(1):16－19.

［5］马瑞卿.一种基于TOP224Y的单片开关电源设计［C］.西安:西北工业大学，2010－2.