基于TOP250Y的单片反激电源设计

谈蓉蓉，黄震宇

（无锡广播电视大学，江苏 无锡 214000）

开关电源具有重量轻、体积小、效率高、稳压范围宽等优点，在电子电气、控制、计算机等许多领域的电子设备中得到了广泛的使用。TOPSwitch单片开关电源是美国PI（Power Integration）公司于20世纪90年代中期推出的新型高频开关电源芯片。采用TOPSwitch器件的开关电源与分立的MOSFET功率开关及PWM集成控制的开关电源相比，具有电路结构简单、成本低廉、性能稳定、制作及调试方便，自保护完善等优点，因此它被广泛地应用在中小功率电源中。

1 开关电源的设计过程

本文以TOP250Y为例介绍此类控制芯片的应用。图1是使用TOP250Y设计出的7路输出，其中6路15 V／0.4 A、1路＋5 V／4 A，总输出功率56 W。由于TOPSwitch集成度高，设计工作主要针对外围电路进行，外围电路可分为输入整流滤波电路、箝位保护电路、变压器、输出整流滤波电路及反馈电路5部分。设供电条件为85～265 VAC（±15%），工频。

1.1 输入整流滤波电路设计

图1 开关电源原理图

输入整流滤波电路包括交流滤波、整流、电容稳压。前级滤波电容C1的作用是滤掉电网电压尖峰，防止其对后级电路的影响。尖峰电压一般是电网电压的3～4倍，再考虑到安全裕量，选用耐压1000 V、容值0.1μF的电容。滤波电感L1选用33 mH的，使能滤掉电网3次谐波。不控整流桥选用的是5 A／600 V规格。整流桥后滤波电容C2的作用是对脉动直流电压进行平滑，使整流输出的电压波动在一定的范围内。滤波电容的选择可依照1μF／W的比例进行选择，所以后级滤波电容值为400μF。滤波电容的耐压值一般取为整流输出电压峰值的1.3～2倍，故取为310 V×1.3＝403 V，实际考虑电容的标称值，取450 V。

1.2 箝位保护电路设计

TOPSwitch的关断将导致变压器漏感产生尖峰电压，本设计中箝位保护电路由VD2和VD1构成。其中VD2为瞬态电压抑制器，在承受瞬态高能量电压时，能迅速反向击穿，由高阻态变成低阻态，并把干扰脉冲箝位于规定值，能将启动和过载情况下的峰值漏电压限制在TOPSwitch的MOSFET额定值700 V以下，VD1为阻塞二极管，一般选用快恢复二极管。VD2型号为 P6KE－200，VD1型号为 UF4006。电容C3、电阻R2与VD2并联以降低齐纳箝位的损耗。

1.3 高频变压器设计

高频变压器的设计过程是很繁琐的，要考虑大量相互关联的变量，费力耗时，并且本文涉及的是多路输出的情况，设计更为复杂。在此，采用美国功率集成公司（Power Integrations）设计开发的PI Expert程序来辅助完成高频变压器的设计。PI Expert是一个自动化的图形用户界面（GUI）程序，通过接收用户输入的电源规格参数，自动生成围绕Power Integrations系列IC设计的电源转换方案，应用EXCEL电子表格设计电源，简单快捷，将传统人工计算与软件计算结合，最终确定该辅助电源的设计方案，如图2所示。

图2 PI Expert优化后的结构框图

由图2可见，在给定条件后，该软件可以快速计算出变压器原副边绕组的匝数，极大地缩短了高频变压器的设计周期。

1.4 输出整流滤波电路设计

输出整流滤波电路由整流二极管和滤波电容构成。输出整流二极管的开关损耗占系统损耗的1／6以上，是影响开关电源效率的主要因素，其分为正向导通损耗和反向恢复损耗。由于肖特基二极管反向恢复时间短，在降低损耗及消除输出电压中的纹波方面有明显的性能优势，所以选用肖特基二极管作为整流二极管。选取的原则是略大于最大反向峰值电压。次级绕组的最大反向峰值电压为:

式中，UO为输出电压值；UACmax为最大交流输入电压值；NP、NS为原副变绕组的匝数。

输出滤波电容选择低ESR的电解电容。加LC后置滤波器可以抑制输出电容上的脉动电压和峰值电流。

1.5 反馈电路设计

本文选择带TL431的光耦反馈电路，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2.50 V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。其工作原理是当输出电压增大时，经电阻分压后得到的取样电压就与TL431中的2.5 V带隙基准电压进行比较，在阴极上产生一个减小的阴极输出电压，再与主输出反馈电压共同作用使发光二极管的工作电流增加，进而改变光耦电流使其增加，即芯片控制脚的电流Ic，增大电流Ic就减小了TOPSwitch的输出占空比，占空比减小，输出电压随之减小，由此过程达到稳定输出电压的目的，反之亦然。在设计上，由于TL431的两个分压电阻的比例很难精确计算，常常将TL431的两个分压电阻R9、R11中的一个设计成可调电阻，改变阻值以调节输出电压的精度，最后找到合适的电阻值。

2 实验与分析

按以上设计步骤制作出了基于TOP250Y的开关电源，分别进行了轻载与满载实验，得到稳定的电压输出，对芯片的D、S端进行了测量，实验波形如图3。

图3 实验波形

由图3可见，随着负载的增加，开关电源的占空比在增大。当满载时，占空比为0.35左右。

3 结束语

单片开关电源的出现克服了以往开关电源设计中存在的外围元件和辅助电路复杂等问题，有力地促进了开关电源的高效化、集成化，提高了电源实用性。本文针对开关电源设计的5部分电路进行分析并给出了设计方法，通过实验验证了该方法的可行性。采用TOPSwitch－GX系列芯片设计的开关电源电路结构简单、效率高、成本低，有着良好的应用前景。

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