TOPSwitch组成单端反激式开关电源的设计流程图

TOPSwitch组成单端反激式开关电源的设计流程图TOPSwitch是内含高压功率MOSFET开关管的单片复合IC器件，它包含所有的模拟和数字控制电路，能完成隔离变压、调整稳压、自动保护等开关电源需要的全部功能。由于IC外部元器件很少，因此它能大为简化电源的设计。又因它的开关频率高达100KHz，从而能明显缩小电源变压器的尺寸，并且允许使用更小的储能元件。当电网电压为85-265时其输出功率功率可达50W，当电网电压为195-265时，输出功率则达100W。设计一台单端反激式离线开关电源，涉及到电气工程的许多方面：模拟电路和数字电路的结构，双极管和MOS功率管器件的特征，磁性材料的考虑，热温升的散发，过流和过压的安全防护，控制回路的稳定性能等。这就提出了一个巨大的挑战：它的设计涉及到需要综合协调的许多可变因素。正是由于TOPSwitch的高度集成化，才使得这项设计任务被大大地简化。因为它有效的缩减了设计变数项目，并且建立了IC内部回路的稳定性，所以发展成为一种简单的逐步设计方法，使之容易遵循参照，并指引读者从TOPSwitch的设计流程图中，快速的得到较满意的结果。一台开关电源的设计，本质上是一件把许多变数调节到最佳值的反复过程。它的设计方法大体上可有下述三部分：一是完整的设计流程图，二是简明扼要的设计步骤，三是深化的数据信息处理。在构思阶段的流程图，是做成一个框图来提供全局的概貌，并指出完整的设计步骤。该逐步设计程序是设计方法的一种简化模式，在执行程序阶段，他自始至终指导读者如何按给定的电源系统指标要求和规范，运用经验规则，查阅表格和简化的图示项目，来完成所需的TOPSwitch反激式电源的设计在优化最佳数据和信息的过程中，可利用关键的基本工作数据作为设计指南，例如一些方程式和导向图标等。在以上三者之间，它们提供了前后相互参照的内容，让读者能开阔思路，在给定的阶段执行有关程序，实现最佳参数，这有利于深入理解和进一步优化数据。由于TOPSwitch器件电路的高度集成化，过去设计这类电源的一些争论，均在芯片中得到解决。只有少量需要调节的器件留在IC外面加以安排，这就能维持它的基本电路结构不变。有关反馈变换器要求的特殊应用，例如恒定电流输出、恒定功率输出等，详见有关文献。对于用TOPSwitch的反馈电路，只需在基本的变换器电路结构上增加一些改进措施，因为它们都设置在IC外围。有四种不同的反馈电路形式可供选用，其中两种反馈回路是受光耦器件控制的。另外两种反馈回路是偏置绕组只接阻容（或再串二极管）加到IC。这取决于开关电源对输出电压和输出电流的要求指标。TOPSwitch产品手册给出的设计流程图，共有35个设计步骤，现把其设计步骤归纳为以下四个阶段：1)根据用户的要求，确定所需电源的基本指标，并且确定相应的反馈电路结构：指标较高者选用光耦反馈控制电路，指标较低者可选择反馈绕组直接阻容（或再串联稳压二极管），加到TOPSwitch的偏置脚端；2)选择足够的最小功率规格TOPSwitch-IC器件；3)根据已选的TOPSwitch器件，设计最小号的主功率变压器；4)合理选择其他所有外部元器件参数。在几个步骤分解概述之后，深化的逐步设计程序，本章还将给出反激式开关电源所有重要的计算公式，便于让读者自行完成大部分计算，以缓解设计者在反激式电源设计中遇到的错综复杂、冗长乏味的麻烦。在前面的讲解中，简明扼要地给出了基本原则和各式各样的表格。例如，在输出整流器二极管的表格中，分两类不同用场的整流器：一是低压肖特基二极管，二是超快恢复反向电压较高的二级管，并且给出它们的几种型号、主要电气参数和产品厂家。下面将按主要的步骤和阶段，展开讨论用TOPSwitch组成的单端反激式开关电源的设计方法。它适用于100kHz工作频率下的许多5～10W、20～60W中小功率稳压电源。它是掌握这一类较特殊的反激式高频开关电源的有效方法，起到“纲举目张”的作用。为简化分析，对下面讨论的几个分散内容适当作了调整，合并同类项，把原第3、4、5步骤，合并到第一步骤。【1】步骤1、3、4、5根据用户的要求，确定设计电源的电网交流输入电压值，有三种典型类别：一是输入为100～115VAC，二是输入为通用范围85～265VAC，三是输入为230VAC时，对应的电网电压最小值和最大值VACMIN、VACMAX；不同直流输入电压值相应的原边反射输入电压值VOR、原边齐纳二极管箝位电压值VCLO。电网输入交流电压（V）最小交流电压值（V）最大交流电压值（V）整流后最小直流电压（V）原边反射输出电压（V）齐纳二极管箝位电压（V）100/11585132906090通用8526590135200230195265240135200另外，还需要确定电源的输出电压、输出功率、效率等，分别如下：(1)电网频率：为50Hz或者60Hz；TOPSwitch的开关频率：为100kHz；(2)输出直流电压：＋5、＋7.5、＋12、＋15等，单位用福特（V）；(3)输出功率：5、10、15、20、25、30、40、50等，单位用瓦特（W）；(4)电源整机效率：若无较好的参考数据，可取＝0.8；(5)损耗分配因数Z：若无较好的参考数据，可取Z＝0.5；(6)根据电网电压来确定输入储能电容器和变换器最小直流输入电压VDCMIN。设电网全桥整流器的导电时间为3ms，选择输入储能电容器：当电网输入为100/115VAC或通用输入85～265VAC条件下，按输出功率值的瓦特数乘上2～3；而当电网输入为230VAC时，取值按输出功率值的瓦特数乘上1。(7)根据最小直流输入电压VDCMIN和原边反射输出电压VOR，来确定电网电压为最低值时的最大占空比DMAX，此时设TOPSwitch导通时的漏－源电压为VDS＝10V。【2】步骤2根据设计电源要求的输出电压稳定精确度、负载电流变化的调整率、电网电压变化的调整率等要求，来确定反馈传感电路的结构（有四种）与偏置电压值（有三种）。输出电压稳定精度负载变化调整率电网变化调整率反馈电路结构选取偏置电压数值（V）1.0％0.2％0.2％光耦/TL431125.0％1.0％0.5％光耦/齐纳管125.0％2.5％1.5％原边增强型27.710.0％5.0％1.5％原边基本型5.7【3】步骤6、7根据不同的电网输入电压条件，按连续工作状态与非连续工作状态的原边电流比例因数，可得到不同的原边脉动电流与峰值电流之比值。开始选用时，先从最小值选取，即当电网输入电压为100/115VAC或者通用输入时，＝0.4；当电网输入电压为230VAC时，取＝0.6。然后，再根据有关计算公式分别得到四个不同的原边电流参数值：a)计算原边平均输入电流值：（A）；b)计算原边峰值电流值：（A）；c)计算原边脉动电流值：（A）；d)计算原边有效电流值（均方根值RMS）：（A）。【4】步骤8、9、10选择功率容量足够的最小型号的TOPSwitch器件，即在实际的温升也限制之下，根据最小电流限制的规范（见如下关系式），从尽可能小的三端TOPSwitch工作电流开始考虑选用器件：当有必要时，应选择功率容量较大型号TOPSwitch产品。【5】步骤11对照要求的峰值电流来检验所选TOPSwitch的最小限制电流ILIMIT，可增大电流比例因数，知道＝1.0，或者，反复调节。【6】步骤12、13首先计算变压器的原边电感，根据输出功率来选择变压器磁芯材料与骨架尺寸，确定一下四项参数：a)磁芯有效截面积（）；b)磁芯的有效磁路长度（）；c)磁芯无气隙时的有效电感量（即电感因数）：（nH/匝数的平方）；d)绕线骨架的宽度（mm）。【7】步骤14设置变压器原边绕组匝数的绕制层数，先取绕制层数为四层，在调节过程中维持在绕制层数为1.0～2.0之间。副边绕组匝数的选择有如下两种情形：a)当电网电压为100/115V时：每伏特取1.0匝；b)当电网电压为230V和通用输入时：每伏特取0.6匝。并且绕制层数与副边绕组匝数均需要反复调节。【8】步骤15计算原边绕组匝数和偏置绕组匝数的选择有如下两种情形：a)二极管正向电压：对于P/N型二极管取0.7V，对肖特基二极管取0.4V；b)设置输出整流器正向电压；c)设置偏置整流器正向电压；d)计算原边绕组匝数；e)计算偏置绕组匝数。【9】步骤16～22选择磁芯的最大工作磁通密度在2000～3000GS范围内；磁芯的气隙长度值应当；合理选择原边导线铜截面的最小直径DIA（mm）、原边绕制漆包线的最大直径OD（mm）；原边绕组的电流容量CMA；以每安培的铜导线截面圆周长度限制在200～500mils（mils为千分之一英寸：118mils3mm）。对绕制线圈的绝缘，当电网电压为230VAC或者为通用输入时，应设置安全边缘界限为3mm（即118mils）；当电网电压为110～115VAC时，设置安全边缘为1.5mm（即59mils）。如副边绕组用三重绝缘导线，可不设置安全边缘界限。三相参数变化方向CMA层数――――磁芯骨架【10】步骤23确定副边的参数、、、、a)副边峰值电流（A）；b)副边电流有效值：（A）；c)输出电容器的脉动电流：（A）；d)副边导线铜界面的最大直径：（mm）；e)副边绕制漆包线的最大外径：（mm）。【11】步骤24确定副边绕组最大峰值反向电压（V）、并确定偏置绕组最大峰值反向电压（V）。【12】步骤25选择其他外部元器件。首先是根据电网交流输入电压和箝位齐纳电压，合理地选用选用接在原边绕组与MOSFET漏极间地箝位齐纳二极管与阻断二极管。电网输入交流电压（V）箝位齐纳电压（V）箝位齐纳二极管型号、反向电压、功率、厂家阻断二极管型号、反向电压、功率、厂家100/11590P6KE91:91V/5WMOTOROLABYV26B:400V/1A(UFR)PHILIPS通用输入200P6KE200:200V/5WMOTOROLABYV26C:600V/1A(UFR)PHILIPS230200P6KE200:同上BYV26C:同上【13】步骤26选用输出整流器二极管型号，要注意反向电压值。是整流器二极管的产品额定反向耐压。要求整流器二极管的工作电流，式中电流是二极管的额定直流电流值，其输出电流值。整流器二极管型号反向电压值（V）工作电流（A）制造厂家肖特基二极管IN5819401.0MOTOROLAIN5822403.0MOTOROLAMBR745457.5MOTOROLAMBR10454510MOTOROLAMBR16454516MOTOROLA超快恢复二极管UF40021001.0GIMUR1101001.0MOTOROLAMUR1202001.0MOTOROLAUF40032001.0GIBYV27-200V2002.0PHILIPS,GIUF54011003.0GIUF54022003.0GIMUR4101004.0MOTOROLAMUR4202004.0MOTOROLAMUR8101008.0MOTOROLAMUR8202008.0MOTOROLABYW29-2002008.0PHILIPS,GIBYV32-20020020.0PHILIPS【14】步骤27按输出电流脉动值选择输出电容器：脉动电流值规定105℃、100kHz时应等于、大于。用低等效串联电阻（ESR）的电解电容器，其输出开关脉动电压为。输出大电流时用多个并联电容器来减少脉动电流波纹。不同条件下的例子：a)当输出电压为5～24V、输出电流为1A时：选输出电容量330、35V，低ESR电解电容器；有美国产品CHEMICON、日本产品NICHICON、PANASONIC等。b)当输出电压为5～24V、输出电流为2A时：选输出电容量1000、35V。【15】步骤28、29如果输出开关脉动电压没有限制在规定范围内，就应增设输出LC后续滤波器，其电感量2.2～4.7。在低电流（1A）时，采用铁氧体小磁珠；当输出大电流时，采用远离的套架扼流圈。如果要避免增大直流压降，可加大扼流圈电流额定值，或增大导线的尺寸