基于TOP247Y的多路开关电源的设计

基于TOP247Y的多路开关电源的设计
广东工业大学自动化学院李长兵陈林康曾建安
摘要：本文介绍了一种多路开关稳压电源及 TOP247Y 的工作原理，重点讨论了开关电源和高频变压器的设计。

关键词：开关电源；电磁干扰
概述
--- 在三相逆变器用开关电源中，电源的工作方式有两种，一种是应用工频变压器供电，另一种是应用开关稳压电源供电。

随着微电子和电力电子技术的发展，它们都毫无例外地使用开关电源。

开关电源具有重量轻、体积小、效率高、稳压范围宽等优点，正朝着短、小、轻、薄、单片集成化、智能化的方向发展。

美国PowerIntegrations公司在2001年初开发的单片开关电源集成芯片TOP247Y属于该公司第四代单片开关电源集成电路TOPSwitch－GX系列。

该系列产品除具备TOPSwitch－FX系列的全部优点之外，还将最大输出功率从75W扩展到250W，适合构成大、中功率的高效率、隔离式开关电源。

它的开关频率高达132kHz，这有助于减小高频变压器及整个开关电源的体积。

本文介绍了一种基于TOP247Y的多路开关稳压电源，其结构简单、成本低廉、制作调试方便，基本上能达到所要求的条件。

TOPSwitch－GX系列芯片工作原理
--- 图1给出了TOP247Y芯片内部结构图，共有6个引出端，它们分别是控制端C、线路检测端L、极限电流设定端X、源极S、开关频率选择端F和漏极D。

利用线路检测端(L)可实现4种功能：过压(OV)保护；欠压(UV)保护；电压前馈(当电网电压过低时用来降低最大占空比)；远程通／断(ON／OFF)和同步。

而利用极限电流设定端，可从外部设定芯片的极限电流。

在每个开关周期内都要检测功率MOSFET漏源极导通电阻Ros(on)上的漏极峰值电流ID(PK)，当ID(PK)>ILIMIT时，过电流比较器就输出高电平，依次经过触发器、主控门和驱动级，将MOSFET关断，起到过电流保护作用。

--- 电源启动时，连接在漏极和源极之间的内部高压电流源向控制极充电，在RE两端产生压降，经RC滤波后，输入到PWM比较器的同相端，与振荡器产生的锯齿波电压相比较，产生脉宽调制信号并驱动MOSFET管，因而可通过控制极外接的电容充电过程来实现电路的软启动。

当控制极电压Uc达到5.8V时，内部高压电流源关闭，此时由反馈控制电流向Uc供电。

在正常工作阶段，由外界电路构成电压负反馈控制环，调节输出级MOSFET的占空比以实现稳压。

当输出电压升高时，Uc升高，采样电阻RE上的误差电压亦升高。

而在与锯齿波比较后，将使输出电压的占空比减小，从而使开关电源的电压减小。

当控制极电压低于4.8V时，MOSFET管关闭，控制电路处于小电流等待状态，内部高压电流源重新接通并向Uc充电，其关断/自动复位滞回比较器可使Uc保持在4.8～5.8V之间。

当开关电源的负载很轻时，能自动将开关频率从132kHz降低到30kHz(半频模式下则由66kHz降至15kHz)，可降低开关损耗，进一步提高电源效率。

多路输出的开关电源设计
--- 由TOP247Y构成的多路开关电源原理图见图2，其中输出三路200mA、15V的直流电，一路400mA、15V的直流电，以及1A、5V的直流电。

多路电源用高频变压器获得多组电压输出，经快速恢复二极管、电容滤波后得到多路直流电源。

--- 当电源输入交流85～265V时，交流电压U依次经过电磁干扰(EMI)滤波器(C1，L1)、输入整流滤波器(KBL406G，C2)获得直流高压UI。

UI经过R1接L端，能使极限电流随UI升高而降低。

它使用C3，VD型漏极钳位二极管P6KE200A和阻断二极管D1，以替代价格较高的TVS(瞬态电压抑制器)，用于吸收在TOP247Y关断时由高频变压器漏感产生的尖峰电压，对漏极起到保护作用。

次级电压经过整流、滤波后获得多路输出。

其中15V电源输出所用的是快速恢复二极管，其他输出用的二极管是肖特基二极管，其目的是减少整流管的损耗。

--- 该电源采用3枚芯片，包括TOP247Y(U1)、光耦合器LTV817A，以及可调式精密并联稳压管LM431。

为减小高频变压器体积和增强磁场耦合程度，次级绕组采用了堆叠式绕法。

其稳压原理为，U=UR4+UZ+ULM431。

当U发生变化时，如U增加时，流过光耦的电流增大，光耦输出的电流随着增大，流经TOP247Y控制端的电流增加，而占空比则减小，从而U下降，这样达到稳压的目的，反之U减小时也有相同的原理。

--- 可调精密稳压管LM431的内部参考电压为2.495V，输出电压经电位器和R7分压，可调电压在2.5V(基准值)至37V(最大值)之间。

R6和C18构成LM431的频率补偿网络。

C19为软启动电容。

除5V电压外，其余各路输出未加反馈，输出电压均由高频变
压器的匝数比来确定。

R9～R12是15V输出的假负载，它能降低该路的空载及轻载电压。

--- 另外，为了尽可能减少电磁干扰，在开关电源的输入侧接入共模扼流圈，可以明显改善电磁噪声。

而安全电容C6能滤除一次、二次绕组耦合电容产生的共模干扰，电容C1可滤除电网线之间的串模干扰。

高频变压器的设计
--- 该开关电源是一个具有多路输出的直流电源，由高频变压器N个二次绕组经整流滤波后获得。

因此开关电源的性能在很大程度上决定于变压器的设计。

--- ● 功率计算
--- 高频变压器的二次绕组有三路15V完全相同的直流输出，另一路15V电压的电流为400mA，5V电压提供给其他的芯片，再加上反馈绕组，故由以上设定条件可知，高频变压器的输出功率为：
--- P0=15×0.2×3＋15×1×0.4＋5×1＝20W
--- 考虑反馈绕组和裕量，实际选用功率为25W。

--- ● 磁芯的选用
--- 根据参考文献[3]给出的输出功率与磁芯尺寸的关系，本开关电源选用EI-33磁芯，其额定输出频率为25kHz、50kHz和100kHz 三种，可以选择其中的一种，磁芯有效截面积Ae＝119.3，Le=67.6，Ve=8067.4。

--- ● 绕组匝数的计算
--- 由开关电源设计的特点，在确定功率开关元件MOS管的工作频率时，若工作频率较低，则噪声较大；若工作频率较高，开关损耗将增大，但可使变压器、电容等小型化。

因此在确定开关频率时要折衷考虑。

设定工作频率为25kHz，ρ＝0.5，η＝0.94。

ρ为PWM调制的占空比，η为变压器的效率。

--- 则原边电感量Lp为：
--- 其中，P0为输出功率，η为变压器的效率，Z为损耗分配因数(通常令Z=0.5)，fs为开关频率。

--- 变压器一次绕组电流：
--- 变压器匝数比：
--- 变压器二次绕组匝数：
--- 实取N=9(匝)。

--- 一次绕组匝数：
--- 5V直流输出侧的绕组匝数：
使用 TOP247Y的注意事项
--- ● 输入滤波电容C2的负极直接连反馈绕组，以便将反馈绕组上的浪涌电流直接返回到输入滤波电容，以提高抑制浪涌干扰的能力。

--- ● TOP247Y控制端附近的电容应尽可能靠近源极和控制端的引端。

S极与C、L、X端过通过一条独立的支路相连，不可共享一条支路。

--- ● S、L、X端的引线与外围相关元件的距离也要尽可能短，并且远离漏极的支路要防止产生噪声耦合。

--- ● 线路检测电阻R1应尽可能接近于L引脚。

结束语
--- 综上所述，采用TOPSwitch-GX系列芯片设计的低功率开关电源，电路结构简单，效率高，成本低。

经实验测定，输出电压调整率、负载调整率均在设定范围内，实验结果证明该开关电源是可靠的。