單片開關(guān)電源的快速設(shè)計法

摘要：單片開關(guān)電源是國際上90年代才開始流行的新型開關(guān)電源芯片。本文闡述其快速設(shè)計方法。

　　在設(shè)計開關(guān)電源時，首先面臨的問題是如何選擇合適的單片開關(guān)電源芯片，既能滿足要求，又不因選型不當(dāng)而造成資源的浪費。然而，這并非易事。原因之一是單片開關(guān)電源現(xiàn)已形成四大系列、近70種型號，即使采用同一種封裝的不同型號，其輸出功率也各不相同；原因之二是選擇芯片時，不僅要知道設(shè)計的輸出功率PO，還必須預(yù)先確定開關(guān)電源的效率η和芯片的功率損耗PD，而后兩個特征參數(shù)只有在設(shè)計安裝好開關(guān)電源時才能測出來，在設(shè)計之前它們是未知的。

　　下面重點介紹利用TOPSwitch－II系列單片開關(guān)電源的功率損耗（PD）與電源效率（η）、輸出功率（PO）關(guān)系曲線，快速選擇芯片的方法，可圓滿解決上述難題。在設(shè)計前，只要根據(jù)預(yù)期的輸出功率和電源效率值，即可從曲線上查出最合適的單片開關(guān)電源型號及功率損耗值，這不僅簡化了設(shè)計，還為選擇散熱器提

　　η/％(Uimin=85V)

　　中圖法分類號：TN86文獻標(biāo)識碼：A文章編碼：0219?2713(2000)09?488?05

　　PO/W

　　圖1寬范圍輸入且輸出為5V時PD與η，PO的關(guān)系曲線

　　圖2寬范圍輸入且輸出為12V時PD與η，PO的關(guān)系曲線

　　圖3固定輸入且輸出為5V時PD與η，PO的關(guān)系曲線

　　供了依據(jù)。

　　1TOPSwitch－II的PD與η、PO關(guān)系曲線

　　TOPSwitch－II系列的交流輸入電壓分寬范圍輸入（亦稱通用輸入），固定輸入（也叫單一電壓輸入）兩種情況。二者的交流輸入電壓分別為Ui=85V～265V，230V±15％。

　　1．1寬范圍輸入時PD與η，PO的關(guān)系曲線

　　TOP221～TOP227系列單片開關(guān)電源在寬范圍輸入（85V～265V）的條件下，當(dāng)UO=＋5V或者＋12V時，PD與η、PO的關(guān)系曲線分別如圖1、圖2所示。這里假定交流輸入電壓最小值Uimin=85V，最高

　　η/％(Uimin=85V)

　　η/％(Uimin=195V)

　　交流輸入電壓Uimax=265V。圖中的橫坐標(biāo)代表輸出功率PO，縱坐標(biāo)表示電源效率η。所畫出的7條實線分別對應(yīng)于TOP221～TOP227的電源效率，而15條虛線均為芯片功耗的等值線（下同）。

　　1．2固定輸入時PD與η、PO的關(guān)系曲線

　　TOP221～TOP227系列在固定交流輸入（230V±15％）條件下，當(dāng)UO=＋5V或＋12V時，PD與η、PO的關(guān)系曲線分別如圖3、圖4所示。這兩個曲線族對于208V、220V、240V也同樣適用?，F(xiàn)假定Uimin=195V,Uimax=265V。

　　2正確選擇TOPSwitch－II芯片的方法

　　利用上述關(guān)系曲線迅速確定TOPSwitch－II芯片型號的設(shè)計程序如下：

　　（1）首先確定哪一幅曲線圖適用。例如，當(dāng)Ui=85V～265V，UO=＋5V時，應(yīng)選擇圖1。而當(dāng)Ui=220V(即230V－230V×4.3％)，UO=＋12V時，就只能選圖4；

　　（2）然后在橫坐標(biāo)上找出欲設(shè)計的輸出功率點位置（PO）；

　?。?）從輸出功率點垂直向上移動，直到選中合適芯片所指的那條實曲線。如不適用，可繼續(xù)向上查找另一條實線；

　　（4）再從等值線（虛線）上讀出芯片的功耗PD。進而還可求出芯片的結(jié)溫（Tj）以確定散熱片的大??；

　　（5）最后轉(zhuǎn)入電路設(shè)計階段，包括高頻變壓器設(shè)計，外圍元器件參數(shù)的選擇等。

　　下面將通過3個典型設(shè)計實例加以說明。

　　例1：設(shè)計輸出為5V、300W的通用開關(guān)電源

　　通用開關(guān)電源就意味著交流輸入電壓范圍是85V～265V。又因UO=＋5V，故必須查圖1所示的曲線。首先從橫坐標(biāo)上找到PO=30W的輸出功率點，然后垂直上移與TOP224的實線相交于一點，由縱坐標(biāo)上查出該點的η=71.2％，最后從經(jīng)過這點的那條等值線上查得PD=2.5W。這表明，選擇TOP224就能輸出30W功率，并且預(yù)期的電源效率為71.2％,芯片功耗為2.5W。

　　若覺得η=71.2％的效率指標(biāo)偏低，還可繼續(xù)往上查找TOP225的實線。同理，選擇TOP225也能輸出30W功率，而預(yù)期的電源效率將提高到75％，芯片功耗降至1.7W。

　　根據(jù)所得到的PD值，進而可完成散熱片設(shè)計。這是因為在設(shè)計前對所用芯片功耗做出的估計是完全可信的。

　　例2：設(shè)計交流固定輸入230V±15％，輸出為直流12V、30W開關(guān)電源。

　　圖4固定輸入且輸出為12V時PD與η，PO的關(guān)系曲線

　　η/％(Uimin=195V)

　　圖5寬范圍輸入時K與Uimin′的關(guān)系

　　圖6固定輸入時K與Uimin′的關(guān)系

　　根據(jù)已知條件，從圖4中可以查出，TOP223是最佳選擇，此時PO=30W，η=85.2％，PD=0.8W。

　　例3：計算TOPswitch－II的結(jié)溫

　　這里講的結(jié)溫是指管芯溫度Tj。假定已知從結(jié)到器件表面的熱阻為RθA(它包括TOPSwitch－II管芯到外殼的熱阻Rθ1和外殼到散熱片的熱阻Rθ2)、環(huán)境溫度為TA。再從相關(guān)曲線圖中查出PD值，即可用下式求出芯片的結(jié)溫：

　　Tj=PD·RθA＋TA(1)

　　舉例說明，TOP225的設(shè)計功耗為1.7W，RθA=20℃/W，TA=40℃，代入式（1）中得到Tj=74℃。設(shè)計時必須保證，在最高環(huán)境溫度TAM下，芯片結(jié)溫Tj低于100℃，才能使開關(guān)電源長期正常工作。

　　3根據(jù)輸出功率比來修正等效輸出功率等參數(shù)

　　3．1修正方法

　　如上所述，PD與η，PO的關(guān)系曲線均對交流輸入電壓最小值作了限制。圖1和圖2規(guī)定的Uimin=85V，而圖3與圖4規(guī)定Uimin=195V（即230V－230V×15％）。若交流輸入電壓最小值不符合上述規(guī)定，就會直接影響芯片的正確選擇。此時須將實際的交流輸入電壓最小值Uimin′所對應(yīng)的輸入功率PO′，折算成Uimin為規(guī)定值時的等效功率PO，才能使用上述4圖。折算系數(shù)亦稱輸出功率比（PO′/PO）用K表示。TOPSwitch－II在寬范圍輸入、固定輸入兩種情況下，K與U′min的特性曲線分別如圖5、圖6中的實線所示。需要說明幾點：

　?。?）圖5和圖6的額定交流輸入電壓最小值Uimin依次為85V，195V，圖中的橫坐標(biāo)僅標(biāo)出Ui在低端的電壓范圍。

　　（2）當(dāng)Uimin′>Uimin時K>1，即PO′>PO，這表明原來選中的芯片此時已具有更大的可用功率，必要時可選輸出功率略低的芯片。當(dāng)Uimin′（3）設(shè)初級電壓為UOR，其典型值為135V。但在Uimin′<85V時，受 TOPSwitch－ II調(diào) 節(jié) 占空比能力的限制， UOR會按線性規(guī) 律降低 UOR′ 。此時折算系數(shù) K="UOR′" /UOR<1。圖 5和圖 6中的虛線表示 UOR′ /UOR與 Uimin′ 的特性曲線，利用它可以修正初級感應(yīng) 電壓值。

　　現(xiàn)將對輸出功率進行修正的工作程序歸納如下：

　?。?）首先從圖5、圖6中選擇適用的特性曲線，然后根據(jù)已知的Uimin′值查出折算系數(shù)K。

　?。?）將PO′折算成Uimin為規(guī)定值時的等效功率PO，有公式

　　PO=PO′/K（2）

　　（3）最后從圖1～圖4中選取適用的關(guān)系曲線，并根據(jù)PO值查出合適的芯片型號以及η、PD參數(shù)值。

　　下面通過一個典型的實例來說明修正方法。

　　例4：設(shè)計12V，35W的通用開關(guān)電源

　　已知Uimin=85V，假定Uimin′=90％×115V=103.5V。從圖5中查出K=1.15。將PO′=35W、K=1.15一并代入式（2）中，計算出PO=30.4W。再根據(jù)PO值，從圖2上查出最佳選擇應(yīng)是TOP224型芯片，此時η=81.6％，PD=2W。

　　若選TOP223，則η降至73.5％,PD增加到5W，顯然不合適。倘若選TOP225型，就會造成資源浪費，因為它比TOP224的價格要高一些，且適合輸出40W～60W的更大功率。

　　3．2相關(guān)參數(shù)的修正及選擇

　?。?）修正初級電感量

　　在使用TOPSwitch－II系列設(shè)計開關(guān)電源時，高頻變壓器以及相關(guān)元件參數(shù)的典型情況見表1，這些數(shù)值可做為初選值。當(dāng)Uimin′LP′=KLP（3）