基于TOP227Y的多输出单端反激式开关电源设计

高佳，倪怀洲，王旭光，万国超，刘贵彬

(1.山东交通学院 a.轨道交通学院;b.交通与物流工程学院，山东 济南 250357； 2.山东省电力公司泰安供电公司，山东 泰安 271000)

基于TOP227Y的多输出单端反激式开关电源设计

高佳1a，倪怀洲1b，王旭光1a，万国超2，刘贵彬2

(1.山东交通学院 a.轨道交通学院;b.交通与物流工程学院，山东 济南 250357； 2.山东省电力公司泰安供电公司，山东 泰安 271000)

开关电源因其功耗以及体积等方面的优势在各行各业得到了广泛应用。介绍了一种多路输出单端反激式高频输出开关电源的设计，开关电源以TOP227Y芯片和高频变压器为核心，用单端反激式作为电路主拓扑结构，调制方式为PWM调制，电路输入电压为220 V，输出为5 V和15 V两路直流电源。对于设计过程中遇到的问题进行了分析并提出切实解决方法。通过实际测试所得的数据表明，设计的开关电源能够提高电源效率，减小纹波，输出稳定直流电源。

TM911/919；反激式；开关电源；高频变压器；PWM调制

0 引 言

直流开关电源核心为电力电子开关电路，适用功率范围可从零点几瓦到数十千瓦，采用占空比控制方法控制开关管的通断，利用反馈控制来调节占空比，保证输出稳压或输出稳流[1]。

本文提供的直流开关电源由TOPSwitch系列新型高频开关电源集成芯片TOP227及相关外围电路构成。以单端反激式为电源电路主拓扑结构，由脉宽调制(Pulse Width Modulation,简称PWM)控制实现DC/DC变换，调节占空比保证输出电压稳定。

1 开关电源电路结构与原理

开关电源一般属于高频电子装置，工作频率目前在20 kHz到200 kHz。传统的线性电源电路中，负载改变时无源元件承受的电流也随之改变，突然增加负载或输入电压变化时，因无源元件所消耗功率的变化使整个系统损失的功耗增加。然而开关电源并不是工作在线性区域中，所以即使负载变化很大或输入电压范围变化很大，其效率仍很高[2]。

开关电源的系统基本结构如图1所示。根据图1可知，其组成包括：输入整流与滤波电路、高频直流转换器(DC-DC Converter)、脉冲宽度调制(PWM)控制电路、输出滤波网络。如果考虑电磁干扰(EMI)，则可在电源输入端加入线路滤波器(Line Fitter)[3]。

工作原理：交流电压(AC)流经输入整流以及滤波电路得到近似直流(DC)的高电压，再经高频直流转换器将直流电压转换为接近方波的高频电压信号，此信号经过一个高频变压器降低至所需的电位，最后经过输出滤波网络可以得到稳定直流输出[4]。

TOP227Y芯片用反馈电流IC占空比D进行调节，使输出稳压：当输出电压VO减小，反馈电路使电流IC降低，占空比D增加，升高输出VO，保持输出电压VO稳定[5]。

图1 开关电源系统基本结构

2 反激式变换器

单端反激变换器电路结构如图2所示，主要用于小功率电路。电路特点是反激变换中的变压器不仅有变压器隔离的作用还有电感的作用[6]。晶体管 Q 导通，变压器的一次绕组会有一次侧电流通过，并储存能量；晶体管 Q 截止，储存于变压器的能量经过二极管传送给电容及负载。由于反激式变换器输出端不需使用电感器，所以输出端能及时跟随输入电压以及负载变化进行调整，所以适宜多路输出的场合[7]。

图2 单端反激变换器电路结构

3 开关电源设计

基于TOP227Y的单端反激式开关电源电路如图3所示。电路的核心控制芯片是TOP227Y，TL431芯片为反馈电路提供基准电压，光耦EL-817为反馈电路提供反馈信号。

图3 多输出单端反激式开关电源电路

3.1 开关电源适配器的电气性能指标

(1)输出电压准确度——±1%；

(2)负载调整率——±3%；

(3)电压调整率——≤3%；

(4)效率——85%；

(5)输出纹波——≤1.5 V；

(6)纹波系数——≤10%；

(7)工作温度——-35 ℃～+80 ℃；

(8)输入电压频率——50(1±5%)Hz；

(9)输入电压范围——220(1±15%) V；

(10)输出电压/电流——15 V/20 W、5 V/1 W；

3.2 反馈电路设计

如图4所示，电源反馈部分中，反馈信号经过以PC817为核心的线性光耦部分向TOP227Y提供控制电流；反馈电路的基准电压由稳压管TL431来提供。

图4 反馈控制电路

1)PC817的集电极电流Ic

PC817提供的控制电流Ic直接控制TOP227Y的占空比D，占空比D的计算公式[6]：

(1)

(2)

图中倾斜直线部分可表示为：

(3)

可计算出光耦PC817三极管端电流IC。

图5 TOP芯片IC与D的关系

2)关于TL431的几个参数

由TL431的技术参数可知，两端电压Uka在2.5 V～37 V之间变化时，电流Ika在1 mA～100 mA之间变化，一般选取20 mA，能保证工作稳定性，且能提供部分死区负载[8]。

查阅TL431技术手册可知线性光耦TL431的阴极电流Ik范围为1.0～100 mA；参考电压Uref=2.5 V，输入电流Iref：1.8 μA(典型值)和6.5 μA(最大值)[9]。所以R1、R2组成的分压电路电流值远大于该典型值，取10倍，UO/(R1+R2)≥10×1.8 μA，得：

(4)

取UO=15 V，则R1+R2≤833 kΩ；取UO=5 V，则R1+R2≤278 kΩ。选出R1+R2的值，然后根据UO=R2/(R1+R2)=2.5 V可得R1、R2的值。

在光耦EPC817二极管中，集电极电流Ic由占空比D决定，光耦侧电流If由集电极电流Ic决定。反激式开关电源电路的占空比D一般不会超过0.5[10]，由(3)式可算出其值如表1所示。

集电极电流Ic一般取值在4.5 mA～5.8 mA之间，由此决定PC817二极管侧电流If。PC817的传输曲线如图6所示。由此可以看出上述Ic范围对应的If数值。

表1 Ic与D关系

由图6可以看出占空比D的范围为0.05～0.3(即IC范围为4.5 mA～5.8 mA，PC817二极管侧电流If大致在1.5 mA～2.5 mA，比Ik的1 mA～100 mA要小得多，所以在817的二极管两端并联电阻R4，对Ik分流，使TL-431的Ik相对增大，使PC817的If保持要求值。

(5)

(6)

既然TL431手册给出了一些电压和电流参数，在设计时应该作为选择元件的依据，现取UO=15 V；UAK=5 V>2.5 V，设Ic=5 mA，If=2 mA，PC817二极管电压为ULED=1 V，If=2 mA超出了Ik最小值，不必并联R4。由式(6)可得出：

(7)

根据前面的分析推导可得：

3.3 高频功率变压器的设计

3.3.1 初级电感匝数N1的确定

变压器磁芯的确定：

(8)

Ae——截面积；

Ab——窗口面积；

Km——窗口填充系数(一般Km为0.2～0.4)；

Kc——磁芯填充系数(对铁氧体，Kc=1)；

变压器磁芯用黄白磁环，其中Ap=1.995 84, cm4≫0.98 cm4，即可满足设计要求。

10×10-6=0.765 mH

(9)

(10)

(11)

若选用D=33 mm，d=17 mm的黄白磁环，其截面积Ae=0.88 cm2，那么有

(12)

(单位：Ae为平方厘米；ΔB为高斯，取2 000高斯)

考虑到漏磁以及绕制工艺的问题，实际匝数要大于算得数值，初级选取50匝。

3.3.2 次级线圈匝数计算

3.3.3 辅助线圈匝数计算

3.4 电路调试过程中遇到的几个问题及解决办法

(1)TOP227过压烧坏

在电路调试过程中，TOP管经常烧坏，经分析D-S两端电压可知，TOP芯片导通时加在TOP管两端的电压由于变压器漏感，产生很大尖峰，如果尖峰电压超过TOP管的承压范围时，TOP管会过压损坏。解决方法是在变压器初次侧添加抑制器和二极管组成的抑制电路防止TOP开关管烧坏。

(2)输出震荡问题

输出端产生高频震荡，此震荡频率跟开关管的开关频率相同，幅度都为1 V左右。经观察发现TL431两端有电压震荡，其频率与开关管开关频率相同，经分析是TL431没有工作在正常范围内，所以不能提供基准电压，导致TOP227的控制端C端电流时刻在改变，超过TOP芯片调节范围，导致输出震荡。解决方法为调节与TL431串联电阻的阻值，使431工作在正常范围内，此时能保证输出稳定。

4 实验测试数据

经试验测试，此单端反激式开关电源输入输出电压关系如表2所示。

表2 开关电源输入、输出电压关系测试

由表可知，选定电路各元器件参数后，当输入电压在一定范围内波动时，反馈网络能及时将输出反馈给控制电路来控制脉冲宽度，保证电压稳定输出，可见电路符合设计要求。

5 结束语

本文介绍了以TOPswitch芯片和高频功率变压器为核心制作的两路输出单端反激式开关电源电路，并介绍了设计过程中遇到的问题以及解决方法。该电源用于为单片机提供电源，经实际验证，电路设计符合设计指标要求，性能稳定。

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TOP227Y-based Design of Multi-output, Single-ended & Fly-back Switching Power Supply

Gao Jia1a,Ni Huaizhou1b,Wang Xuguang1a, Wan Guochao2, Liu Guibin2

(1.Shan Dong Jiao Tong University a. Rail Transit College; b. Transportation and Logistics Engineering College, Jinan Shandong 250357 China;2. Taian Power Supply Company of Shandong Power Company，Taian Shandong 271000,China)

Switching power supply has been widely used in all walks of life due to its advantages in power consumption and size. This article introduces a design of multi-output, single-ended & fly-back switching power supply with high-frequency output. Switching power supply takes TOP227Y chip and high-frequency transformer as the core and adopts single-ended fly-back as the main topology for the circuit. It adopts PWM for modulation system, 220 V for circuit input voltage, 5 V and 15 V DC power supply for two outputs. For the problems encountered in the design process, practical solutions are put forward through analysis. The data obtained via actual test show that the design of the switching power supply can increase power supply efficiency, reduce ripple while the output of DC power supply is stable.

TOP227Y；fly-back type；switching power supply；high-frequency transformer；PWM modulation

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.05.013

TM911/919

A

1000-3886(2016)05-0038-04

高佳(1988-)，女，山东新泰人，山东交通学院，硕士生，研究方向：船舶电子电气。

定稿日期: 2016-03-20