基于TOPSwitch-II的单片开关电源设计.Stamped
最新-TOPSwitchⅡ系列开关电源的电磁兼容性设计 精品
TOPSwitchⅡ系列开关电源的电磁兼容性设计作者@摘要系统地分析了Ⅱ系列开关电源产生噪声的主要原因及产生噪声的回路和部件，给出了相应的抗干扰措施，从而提高了开关电源的电磁兼容性。
关键词开关电源噪声电磁兼容性Ⅱ开关电源具有单片集成化、外围电路简单、效率高的优点，在大多数的电子设备中得到了广泛的应用。
然而，开关电源自身产生的各种噪声却形成了一个很强的电磁干扰源。
这些干扰随着开关频率的提高、输出功率的增大而明显地增强，对电子设备的正常运行构成了潜在的威胁；同时，一些国家对此也有严格的指标，不能满足者将被拒之门外。
本文以美国公司Ⅱ系列为例，介绍开关电源的电磁干扰及其抑制。
1开关电源产生噪声的原因开关电源工作在高频、高压、大电流开关状态，并以开和关的时间比来控制输出电压的高低。
Ⅱ系列器件工作频率为100，电源线路内的很大，产生的各种噪声通过电源线以共模或差模方式向外传导，同时还向周围空间辐射噪声。
图1给出了一种典型Ⅱ系列的开关电源电路图，下面以此为例分析其产生噪声的主要原因。
11电源一次侧回路的噪声在一次整流回路中，整流二极管1～4只有在脉动电压超过2的充电电压的瞬间，电流才从电源输入侧流入。
所以，一次整流回路产生高次畸变波，如图1，形成噪声，这是影响传导辐射的一个重要指标。
此外，电源在工作时，Ⅱ处于高频率通断状态，在由脉冲变压器初级线圈1、Ⅱ和滤波器2构成的高频电流环路中，如果布局、布线不合适，造成环路面积过大，可能会产生较大的空间辐射噪声。
如图2，为初级电流的波形，其基波为开关频率，谐波即为干扰波形。
12电源二次侧回路的噪声电源在工作时，整流二极管7也处于高频通断状态，由脉冲变压器次级线圈2、整流二极管7和滤波电容6构成了高频开关电流环路，如果布局、布线不合适，造成环路面积过大，可能向空间辐射噪声。
同时，硅二极管在正向导通时ＰＮ结内的电荷被积累，二极管加反向电压时积累的电荷将消失并产生反向电流。
由于二次整流回路中7在开关转换时频率很高，即由导通转变为截止的时间很短，在短时间内要让存储电荷消失就产生反电流的浪涌。
单片开关电源的快速设计法
图1宽范围输入且输出为5V时PD与η，PO的关系曲线
图2宽范围输入且输出为12V时PD与η，PO的关系曲线
图3固定输入且输出为5V时PD与η，PO的关系曲线
供了依据。
1TOPSwitch－II的PD与η、PO关系曲线
TOPSwitch－II系列的交流输入电压分宽范围输入（亦称通用输入），固定输入（也叫单一电压输入）两种情况。二者的交流输入电压分别为Ui=85V～265V，230V±15％。
下面重点介绍利用TOPSwitch－II系列单片开关电源的功率损耗（PD）与电源效率（η）、输出功率（PO）关系曲线，快速选择芯片的方法，可圆满解决上述难题。在设计前，只要根据预期的输出功率和电源效率值，即可从曲线上查出最合适的单片开关电源型号及功率损耗值，这不仅简化了设计，还为选择散热器提
η/％(Uimin=85V)
b.设置丝印层的Layer时，不要选择PartType，选择顶层（底层）和丝印层的Outline、Text、Linec.在设置每层的Layer时，将BoardOutline选上，设置丝印层的Layer时，不要选择PartType，选择顶层（底层）和丝印层的Outline、Text、Line。d.生成钻孔文件时，使用PowerPCB的缺省设置，不要作任何改。
·放置变压器
·设计电源开关电流回路
·设计输出整流器电流回路
·连接到交流电源电路的控制电路
·设计输入电流源回路和输入滤波器设计输出负载回路和输出滤波器根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局时，要符合以下原则：
(1)首先要考虑PCB尺寸大小。PCB尺寸过大时，印制线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加；过小则散热不好，且邻近线条易受干扰。电路板的最佳形状矩形，长宽比为3：2或4：3，位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘一般不小于2mm。
利用TOP Switch设计的开关电源
利用TOP Switch 设计的开关电源1引言TOP Switch（Three Terminal Off－line PWM Switch）是PI（Power Integration）公司最先研制成功的三端隔离式脉宽调制单片开关电源集成电路，其第一代产品以1994 年问世的TOP100/200 系列为代表，第二代则是1997 年推出的TOP－Ⅱ（221～227）系列，而新推出的TOP－GX 系列（24X），除了功率继续有所增大之外，更是在前两代产品的基础上增加了不少功能，故可以看作第三代产品。
本文以其第一、二代产品为例，介绍其特点、原理及应用。
2TOP Switch 集成芯片介绍2.1 特点与优点TOP Switch 将MOSFET 与整套PWM 控制系统集成在一个单片集成器件内，内部包含了MOSFET、PWM 发生器、驱动电路、自动偏置电路、保护电路、高压启动电路和环路补偿电路等。
由于它已经将电路各个功能部分都集成在片子内部，所以与常规的分立元件组成的电路相比，它有着以下明显优势。
1)电路结构简单，效率高。
它只有三个输出控制端，利用简单的外围器件就可以完成一个开关电源的控制功能，使电路结构得以简化，体积减小，提高可靠性。
并且把驱动和开关器件集成在一个片子内部，有利于提高效率和功率密度。
2) TOP Switch 内部有一个高压小容量的N－MOSFET 输出管，该管具有导通电阻小、导通速度可以控制等特点，因而可以减小开关电压变化率，进而减小EMI。
3)片子内部集成了脉冲前沿中断检测电路、输入欠压封锁电路、输出过压保护电路、关机自动恢复工作电路等保护电路，可以避免因各种故障引起的不良后果。
2.2 外部封装和引脚功能前两代产品都采用图1 所示的TO－220 或DIP/SMD－8 的封装形式。
其中，后者可以根据引脚功能而简接成同TO－220 封装一样的3 个引脚的形式，即只有D（漏极）、S（源极）和C（控制极）简接成同TO－220 封装一样的3 个引脚的形式，即只有D（漏极）。
基于TOPSwitch的开关电源设计
基于TOPSwitch的开关电源设计TOPSwitch是一种高性能开关电源集成电路，被广泛用于各种电子设备中。
本文将介绍基于TOPSwitch的开关电源设计。
开关电源是一种将交流电转换为直流电的设备，具有高转换效率、体积小、重量轻和稳定性好等优点。
而TOPSwitch是一个集成了开关管、调制器、电流检测和保护电路的芯片。
其独特的设计可以实现高效能、高可靠性、低成本和紧凑尺寸。
首先，在进行开关电源设计之前，我们需要明确设计的需求和目标。
比如输出电压、输出电流、效率要求、稳定性要求等。
这些因素会直接影响到电源设计的参数选择和电路设计。
其次，确定所需的输入电压范围和输出电压范围。
TOPSwitch支持宽输入电压范围，所以我们可以根据实际需求选择合适的输入电压范围。
接下来，选择合适的电感和电容。
电感和电容是开关电源中非常重要的元件，能够存储和释放能量。
在TOPSwitch设计中，电感的选择要根据输入和输出电压以及预期的输出电流来确定。
而电容的选择则需要考虑输入电压的纹波、输出电压的稳定性和输出电流的需求。
在电路设计方面，我们需要根据TOPSwitch的数据手册来设计输入滤波电路、整流电路、开关管控制电路、输出滤波电路等。
这些电路的设计需要考虑到输入和输出电压的稳定性、电流的保护，以及电流和电压的控制等。
在设计过程中，还需要注意热管理。
由于开关电源会产生一定的热量，所以我们需要设计散热器来散热，以确保电源的正常运行和使用寿命。
最后，我们需要对设计的开关电源进行测试和验证，以确保其满足设计要求和性能指标。
测试内容包括输入输出电压的稳定性、效率、温度、波形和电流等。
综上所述，基于TOPSwitch的开关电源设计需要综合考虑输入输出电压、电流、效率、稳定性和保护等因素，并按照数据手册的要求设计合适的电路和元件。
通过测试和验证，确保设计的开关电源满足设计要求和性能指标。
TOPSwitch的独特设计和高性能使其成为一种理想的选择，被广泛应用于各种电子设备中。
【独家】单片开关电源设计
摘要：单片开关电源是国际上90年代才开始流行的新型开关电源芯片。
本文阐述其快速设计方法。
关键词：单片开关电源快速设计hipswitchingpowersupplyisnewtypeswitchingpowersupplycorewhichhasbeenpopularsince199在设计开关电源时，首先面临的问题是如何选择合适的单片开关电源芯片，既能满足要求，又不因选型不当而造成资源的浪费。
然而，这并非易事。
原因之一是单片开关电源现已形成四大系列、近70种型号，即使采用同一种封装的不同型号，其输出功率也各不相同;原因之二是选择芯片时，不仅要知道设计的输出功率PO，还必须预先确定开关电源的效率η和芯片的功率损耗PD，而后两个特征参数只有在设计安装好开关电源时才能测出来，在设计之前它们是未知的。
下面重点介绍利用TOPSwitch-II系列单片开关电源的功率损耗(PD)与电源效率(η)、输出功率(PO)关系曲线，快速选择芯片的方法，可圆满解决上述难题。
在设计前，只要根据预期的输出功率和电源效率值，即可从曲线上查出最合适的单片开关电源型号及功率损耗值，这不仅简化了设计，还为选择散热器提η/%(Uimin=85V)中图法分类号：TN86文献标识码：A文章编码：PO/W图1宽范围输入且输出为5V时PD与η，PO的关系曲线图2宽范围输入且输出为12V时PD与η，PO的关系曲线图3固定输入且输出为5V时PD与η，PO的关系曲线供了依据。
1TOPSwitch-II的PD与η、PO关系曲线TOPSwitch-II系列的交流输入电压分宽范围输入(亦称通用输入)，固定输入(也叫单一电压输入)两种情况。
二者的交流输入电压分别为Ui=85V～265V，230V±15%。
1.1宽范围输入时PD与η，PO的关系曲线TOP221～TOP227系列单片开关电源在宽范围输入(85V～265V)的条件下，当UO=+5V或者+12V 时，PD与η、PO的关系曲线分别如图1、图2所示。
一种基于TOP202Y的单片开关电源设计说明
一种基于TOP202Y的单片开关电源设计1.摘要科技在不断地发展,随着人们对电源的要求越来越苛刻,开关电源已经越来越多的应用在各个领域,而采用PWM控制器和MOSFET功率开关一体化的集成控制芯片则是新一代开关电源设计的重要特点和趋势。
本文介绍美国动力公司〔Power 于九十年代中期研制推出的三端PWM/MOSFET二合一集成控制器件TOPSwitch系列的一种基于TOP202Y的单片开关电源的主要工作性能及原理,将它与TOPSwitch相匹配的高频功率变压器在笔记本电池充电器中的应用,并对其进行了分析,得出了相应的结论。
关键词：开关电源集成控制器高频功率变压器单片开关电源2.引言简单的说,开关电源就是利用电子开关器件〔如晶体管、场效应管、可控硅闸流管等,通过控制电路,使电子开关器件不同的"接通"和"关断",让电子开关器件对输入进行脉宽调制,从而实现DC/DC、DC/AC电压变换,以及输出电压可调和自动稳压。
开关电源自20世纪70年代开始应用以来,涌现出许多个完备的集成控制电路,使开关电源电路日益简化,工作频率不断提高,效率大大提高,并为电源小型化提供了广阔的前景。
三端离线式脉宽调制单片开关集成电路TOP<Three Terminal Off Line>将PWM控制器与功率开关MOSFET合二为一封装在一起。
已成为开关电源IC发展的主流。
采用TOP开关集成电路设计开关电源,可使电路大为简化,体积进一步缩小,成本降低。
单片电源具有单片集成化、最简外围电路、最佳性能指标、能构成无工频变压器开关电源等显著优点。
MOSFET功率开关、PWM控制器和高频功率变压器是开关电源必不可少的组成部分。
其中,特别是PWM控制器和变压器的设计是开关电源设计的关键。
传统开关电源设计一般均采用分立的MOSFET功率开关和多引脚的PWM集成控制器,电路的结构非常复杂,系统的稳定性不够理想,分立的MOSFET功率开关对开关电源的效率亦有限制。
利用TOP Switch设计的开关电源剖析
利用TOP Switch设计的开关电源TOP Switch（Three Terminal Off－line PWM Switch）是PI（Power Integration）公司最先研制成功的三端隔离式脉宽调制单片开关电源集成电路，其第一代产品以1994年问世的TOP100/200系列为代表，第二代则是1997年推出的TOP－Ⅱ（221～227）系列，而新推出的TOP－GX系列（24X），除了功率继续有所增大之外，更是在前两代产品的基础上增加了不少功能，故可以看作第三代产品。
本文以其第一、二代产品为例，介绍其特点、原理及应用。
2 TOP Switch集成芯片介绍2.1 特点与优点TOP Switch将MOSFET与整套PWM控制系统集成在一个单片集成器件内，内部包含了MOSFET、PWM发生器、驱动电路、自动偏置电路、保护电路、高压启动电路和环路补偿电路等。
由于它已经将电路各个功能部分都集成在片子内部，所以与常规的分立元件组成的电路相比，它有着以下明显优势。
1)电路结构简单，效率高。
它只有三个输出控制端，利用简单的外围器件就可以完成一个开关电源的控制功能，使电路结构得以简化，体积减小，提高可靠性。
并且把驱动和开关器件集成在一个片子内部，有利于提高效率和功率密度。
2)TOP Switch内部有一个高压小容量的N－MOSFET输出管，该管具有导通电阻小、导通速度可以控制等特点，因而可以减小开关电压变化率，进而减小EMI。
3)片子内部集成了脉冲前沿中断检测电路、输入欠压封锁电路、输出过压保护电路、关机自动恢复工作电路等保护电路，可以避免因各种故障引起的不良后果。
2.2 外部封装和引脚功能前两代产品都采用图1所示的TO－220或DIP/SMD－8的封装形式。
其中，后者可以根据引脚功能而简接成同TO－220封装一样的3个引脚的形式，即只有D（漏极）、S（源极）和C（控制极）简接成同TO－220封装一样的3个引脚的形式，即只有D（漏极）、S（源极）和C（控制极）三个功能引脚。
基于TOPSwitch_II的单片开关电源设计
= 0. 53 , 其 中 UD S (on) 是 TOPS2
w itch 2II导通期间漏极 2 源 极的平均电压值 , 取 10 V。
变换 器 原 边 的 平 均 输 入 直 流 电 流 IAV G =
2
收稿日期 : 2007 2 08 2 15 作者简介 : 张小华 ( 1979 2) ,男 , 2005 级硕士研பைடு நூலகம்生 ,研究方向 : 高频软开关电源 。
为 PC40 ,在 100 ℃ 时饱和磁通密度 B s≈ 390 mT 。 ・43・
[2]
通信电源技术
2008 年 1 月 25 日第 25 卷第 1 期
1 基于 TO P222Y 的四路输出开关电源设计
图 1 是选用 TOPSw itch 2II系列产品 TOP222 Y 设 计的三端单片开关电源电路 。性能指标是 : 输入电压 为 AC 85 ～265 V; 输出分为主输出 : + 5 V / 0. 8 A; 辅 助输出 + 12 V / 0. 2 A , + 15 V / 0. 1 A , - 15 V / 0. 1 A。 它采用反激式功率变换电路 , 对多路输出的负载有较 好的自动平衡能力 ,其电路中的变压器可同时实现直 流隔离 、 能量存储和电压转换的功能 ,不需要额外的电 感来存储能量并作为输出脉宽调制波形的低通滤波 器 。所以磁性元器件数目较少 ,成本低廉 。 1. 1 高频变压器设计 选 E I2 25 磁芯 ,其磁芯截面积 A e = 41 mm ,其材质
D esign of Single 2 Chip Sw itching Mode Power Supp ly B ased on TO PSw itch 2II
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选 EI225磁芯 ,其磁芯截面积 Ae = 41 mm2 ,其材质 为 PC40 ,在 100 ℃时饱和磁通密度 B s≈ 390 m T[ 2 ] 。
·43·
20 08 年 1月 25 日第 25 卷第 1 期
通信电 源技术
Telecom Powe r Technologie s
Jan. 25 , 20 08 , Vol. 25 No. 1
为了确保主输出的稳定 ,在 + 5 V上引入反馈 ,采 用 2. 5～3 6 V 可调式精密并联稳压器 TL431 作为稳压 器件 。用它来构成外部误差放大器 ,再与光耦组成隔 离式反馈电路 。为了将连续变化的输出迅速反馈 ,需 采用线性光耦 ,如 PC817。当 + 5 V输出电压升高时 , 经 R6 、R7 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 ,使 K点电位降低 , LED
图 1 四 路输 出开关电源原理图 C2 取 (2 ～3 ) P0 值 ,此处取 33 μF。设桥堆响应时间 tc = 3 m s,则直流电压最大最小值分别为 :
UM IN =
2U2ACM IN
-
2P0 ( 1 /2 f ηC2
tC )
= 97
(V)
UMAX = UACMAX × 2 = 26 5 × 2≈ 375 (V ) 宽范围输入时 ,一次绕组反射电压 UOR取 13 5 V, 对于 多 路 输 出取 1 00 V[ 1 ] , 最 大 占 空比 为 : DMAX =
源的电磁兼容性能 ,且 降低了制作成本 。文章介绍了基于 TOPSwitch2II单片开关电源的设计方法 ,实 现了用于某温控仪表
的四路输出开关电源 。
关键词 : 单 片开 关电 源 ; TOPSwich2II;高频变压器 ;反激变换
中图分类号 : TN8 6
文献标识码 : A
D esign of Single2Ch ip Sw itching Mode Power Supp ly Based on TOPSw itch2II
通信电源技术
200 8 年 1月 2 5 日第 25 卷第 1 期
张小华 等 : 基于 TOPSwitch2II的 单片开关电源设计
Te lecom Power Technologies Jan. 2 5 , 2 00 8, Vol. 2 5 No. 1
的工作电流 IF 增大 ,再通过光耦 PC817 使控制端电流 Ic 增大 , TOP2 22Y的输出占空比减小 ,使 + 5 V 的占空 比逐步减小 ,起到了稳压作用 ,如图 3、图 4 维持稳定 。
Key words: single2chip switching mode powe r supply; TO PSwitch2II; high frequency transform er; flyback convert
0 引 言
TOPSw ich2II是美国 P I公司推出的三端 隔离 、脉 宽调制单片开关电源集成电路 ,具有单片集成化 、最简 外围电路 、最佳性能指标 、无工频变压器 ,能完全实现 电气隔离等特点 ,因此被誉为“顶级 ”开关电源 。现已 成为国际上开发中 、小功率开关电源及电源模块的优 选集成电路 。可广泛用于仪器仪表 、笔记本电脑 、移动 电话 、电视机 、VCD和 DVD、摄录像机 、电池充电器 、功 率放大器等领域。其性能特点如下 [ 1 ] :
1. 3 保护 、补偿、软启动电路设计
MOSFET关断时 ,高频变压器的漏感会产生尖峰 电压 ,它与初级感应 电压、直流高压叠 加后容易损坏 MOSFET,因此须增加漏极保护电路 ,吸收功率器件在 关断过程中由于变压器漏感产生的尖峰电压 ,此处采 用瞬态电压 抑制器 P6 KE2 00 和 阻塞二极 管 B YV26C 构成保护电路。当 TOP222 Y功率管导通时 初级变压 器的电压极性为上端为正 ,下端为负 ,使 VD1 截止 ,箝 位电路不起作用。在 MO SFET截止的瞬间 ,初级变压 器变成下端为正 ,上端为负 ,此时 VD1 导通 ,尖峰电压 就被 TVS吸收掉 。
最大磁 通密度 Bm 一般为 0. 2 T～0. 3 T,此处取
0. 2 5 T, 初 级 绕 组 匝 数
NP
= IP LP ×108 Bm Ae
= 56. 8匝 ,
AW G30 导线绕
57匝 。依 N s = NP
(UO +UD UOR
)
,
UD
为二
极管压降 ,可得出副边匝数及反馈绕组匝数 。 + 5 V、
20 08 年 1月 25 日第 25 卷第 1 期 文章编号 : 1009 2366 4 (2008 ) 01 20 043 203
通信电 源技术
Telecom Powe r Technologie s
Jan. 25 , 20 08 , Vol. 25 No. 1
设计应用
基于 TO PSwitch2II的单片开关电源设计
(6 )外围电路简单 ,成本低廉 ,外部只需整流滤波 器 、高频变压器 、漏极箝位保护电路 、反馈电路和输出 电路 。
1 基于 TO P2 22Y 的四路输出开关电源设计
图 1 是 选用 TOPSw itch 2II系列 产品 TOP2 22Y设 计的三端单片开关电源电路 。性能指标是 : 输入电压 为 AC 85 ～265 V; 输出分为主输出 : + 5 V /0. 8 A;辅 助输出 + 1 2 V /0. 2 A, + 15 V /0. 1 A , - 15 V / 0. 1 A。 它采用反激式功率变换电路 , 对多路输出的负载有较 好的自动平衡能力 ,其电路中的变压器可同时实现直 流隔离 、能量存储和电压转换的功能 ,不需要额外的电 感来存储能量并作为输出脉宽 调制波形的低通滤波 器 。所以磁性元器件数目较少 ,成本低廉。 1. 1 高频变压器设计
磁珠 L2 、L3 、L4 可滤掉输出整流管 在关断后的反向恢复过程中产生的开 关噪声 ,以免 损坏整流 管。由 于 + 12 V、±1 5 V 额定负载很轻 ,峰 值充电效 应很明显 , 串上电 阻 R9 、R10 、R11后分 别与 C4 、C5 、C6 构成高频滤波器 , 能滤 除漏感产生的尖峰电压 ,防止 C4 、C5 、C6 充电到峰值 , 假负载 R4 、R5 、R8 可防止空载时输出电压过高 。
(3 )输入交流电压和频率的范围宽 。作固定电压 输入时可选 110 V / 115 V / 230 V 交流电源 , 宽范围输 入时适配 8 5～26 5 V 交流电源 ,输入频率范围是 47 ～
收稿日期 : 2007208215 作者简介 : 张小华 ( 19792) ,男 , 2005 级 硕士研究 生 ,研 究方向 : 高频软开关电源 。
Abstrac t: TOPSwich2II device belongs to three te rm ina l off2line PWM switch. It is a type of IC which me rges PWM andMOS2 FET. Compared with linea r voltage regula tor, it ha sm any advantages: sma ll volum e, light we ight, high density and low co st. H igh frequency switchingmode powe r supp lymade from it not only can simp lify the c ircuit, but also can imp rove the EMC cha racte ristics and reduce the cost. A switching mode power supp ly de sign m ethod based on the single2chip TOPSwitch2II is introduced. A powe r supply which is app lied in a hea ting control instrument inc luding 4 outputs is realized.
环路稳定性 ,原边电流脉动系数 KRP应该取大些 ,此处
取 0. 8IAV G ( KRP /2 ) ]DMA X
=
0. 3 8 A。初级绕 组电 感 : LP
= (UM IN
) - UD S (on) DMAX KRP IP fs
×
106 = 1 52 8μH [ 3、4 ] 。
UOR UOR + (UM IN ) - UD S (on)
= 0. 53, 其 中
是 UDS (o n)
TO PS 2
witch2II导通期间 漏极 2源极的平均电 压值 , 取 10 V。
变换 器 原 边 的 平 均 输 入 直 流 电 流
IAV G
=
P0 ηUM
IN
=
0. 1 2 A。为了减小高频变压器的体积 ,并且增强控制
+ 1 2 V、±1 5 V 及反馈绕组用 AW G2 4 导线分别绕 3 匝 、7匝 、9 匝 、7匝 。