基于TOP222Y的单片开关电源的设计

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基于TOP222Y的单片开关电源的设计

采用PWM控制器和MOSFET功率开关一体化的集成控制芯片是新一代开关电源设计的重要特点和趋势。

本文介绍了三端PWM/MOSFET二合一集成控制器件TOPSwitch 系列的工作原理及其在开关电源设计中的应用，同时也介绍了与TOPSwitch相匹配的高频功率变压器的设计。

其中， PWM控制器和变压器的设计是开关电源设计的关键。

在研究了单片开关电源的工作原理基础之上，采用TOP222Y芯片设计了输出为5V/2A 小功率单片式开关电源电路及高频变压器；并对电路中的一些元器件的参数进行了计算和选择。

该电路基本能满足设计的要求。

通过毕业设计，即巩固了所学的知识，又得到了一次实践的锻炼。

关键词：开关电源、脉宽调制、TOP222Y第一章序言 (1)1.1 开关电源的发展 (1)1.2 单片开关电源芯片及应用 (1)第二章单片开关电源工作原理 (3)2.1 开关电源的工作原理 (3)2.2 单片开关电源的工作原理 (4)第三章基于TOP222Y的单片开关电源的设计 (6)3.1 TOP222Y的工作原理 (6)3.2 基于TOP222Y芯片单端反激式开关电源的设计 (8)第四章单片开关电源电路的元件选择与参数计算 (11)4.1 整流滤波电路元件的选择 (11)4.2 PC817的内部结构及工作原理 (11)4.3 TL431的工作原理 (11)4.4 PC817光电耦合器与TL431外围器件参数计算 (12)4.5 TL431的取样电阻计算 (12)第五章高频变压器设计 (14)5.1 变压器的分类 (14)5.2 高频变压器的工作原理 (14)5.2 高频变压器设计方法 (14)5.3 高频变压器的绕制 (15)第六章总结 (17)第一章序言1.1 开关电源的发展开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。

单端反激式开关电源变压器的设计

·　５９　·研制开发单端反激式开关电源变压器的设计顾伟康（国网浙江省电力有限公司湖州供电公司，浙江文章针对开关电源变压器设计中存在公式繁多，参数计算困难等问题，提出了一种简单实用的设计方法。

该方法统一了变压器工作在电流连续模式和断续模式下的计算公式，有效解决了原边电感值、线圈匝数、线径、磁芯大小等参数的设计，降低了设计难度，提高了设计效率，并给出了设计实例。

开关电源；反激式变压器；参数Design of Single-Ended Flyback Transformers in Switching Power SupplyGU WeikangHuzhou Power Supply Company of State Grid Zhejiang Electric Power Co.The paper puts forward a simple and practical design method for there are many issues such as various parameter calculation difficulty in switching power supply transformer. This method unified the formulas of current continuous mode and current discontinuous mode ，effectively solved the original side inductance value core size and so on ，reduced the design difficulty 图1 单端反激式变压器原理图2 单端反激式变压器的设计单端反激式变压器设计流程图如图2所示。

根据下面步骤设计合适的变压器。

2.1 确定系统要求V acmax ，V acmin ，U max ，U min ，V o ，P o ，η等参数值的确定。

恒功率输出式单片开关电源的设计原理

收稿日期:2000-06　沙占友,男,河北科技大学电子工程系教授,出版了多本专著。

恒功率输出式单片开关电源的设计原理沙占友　睢丙东　王彦朋(河北科技大学　石家庄　050054) 摘要:介绍由TOP202Y 构成的恒功率输出式单片开关电源的工作原理和设计要点。

关键词:单片开关电源　恒功率　输出　控制电路　图1　15W 恒功率输出式开关电源的电路图恒功率输出单片开关电源的特点是,当输出电压V 0降低时,输出电流I 0反而会增大,使二者乘积I 0・V 0不变,输出功率P 0保持恒定。

这种开关电源可作为高效、快速、安全的电池充电器,对笔记本电脑的电池进行充电。

恒功率输出特性近似为一条双曲线。

1　恒功率输出式开关电源的工作原理 TOP202Y 是美国Power 公司研制的TOPSwitch 系列三端单片开关电源。

它只有三个引出端(控制端C 、源极S 、漏极D ),内含脉宽调制器、功率开关场效应管(MOSFET )、自动偏置电路、保护电路、高压启动电路和环路补偿电路,通过高频变压器使输出端与电网隔离,适用于构成无工频变压器式高效开关电源。

由TOP202Y 构成的15V 、15W 恒功率输出式开关电源,电路如图1所示。

TOP202Y 型单片开关电源在宽范围电压输入(u =85V ～265V AC )时的最大输出功率为30W 。

该电源工作在连续模式下,并且从次级来调节输出功率,不受初级电路的影响。

当输出电压从15V (即100%・V 0)降至715V (即50%・V 0)时,恒功率准确度可达±10%。

85V ～265V 交流电压经过BR ,C 1整流滤波后,为初级回路提供直流高压。

漏极箝位保护电路由VD Z 1和VD 1构成。

反馈绕组电压经过1N914、C 4整流滤波后,给光耦中的光敏三级管提供集电极电压。

C 5为控制端的旁路电容。

次级电压由VD 2、C 2、L 1和C 3构成。

VD 2采用FE3C 型150V/4A 的超快恢复二极管。

单片机与开关电源

应用高频单片开关芯片设计多组开关稳压电源鲁思慧1、性能优异为便携式设备选择拓宽了新途径多年来，为设计多组开关稳压电源选择性能价格比较高的电源控制芯片，一直是制造业心想事成的问题，这是因为电源控制芯片不是引脚多调试繁多，就是引脚少了功能不理想。

而TOPSwitchlI单片开关电源是美国PI(Power Integration)公司较新推出的高频开关电源芯片，它能将开关电源所必需的具有高压N沟道功率MOS场效应管、电压型PWM控制器、100kHz高频振荡器、高压启动偏置电路、基准电压、用于环路补偿的并联偏置调整器、误差放大器和故障保护功能块等全部集成在一起，是属引脚少(仅为3线)功能强向的高频开关电源芯片。

它可广泛用于仪器仪表、笔记本电脑、VCD和DVD、电池充电器、功率放大器等领域，用它构成的开关电源具有重量轻、体积小、效率高、稳压范围宽等优点，在电子电气、控制、计算机等许多领域的电子设备中得到了广泛的使用。

为此本文将介绍应用TOP222Y高频单片开关电源控制芯片为核心的多组开关稳压电源设计方案。

2、多组(5组)开关电源设计方案2.1以TOP222Y高频单片开关电源控制芯片为核心的电源组成图，见图1所示。

TOP222Y为DC/DC变换器，其芯片引脚3、2、1分别与高频变压器输入及初级、输出次级及地、输出反馈等相连接。

2.2电源电路拓扑为单端反激式该电源电路拓扑为单端反激式，反激式则是指当功率开关管MOSFET导通时，就将电能储存在高频变压器的初级线圈上；当MOSFET关断时，向次级输出电能。

由于开关频率高达100KHz，使得高频变压器能够快速储存、释放能量，经高频整流滤波后即可获得连续输出。

2.3电源单级滤波器作用220V交流进线端接入电磁滤波器(EMl)，为了减少体积和降低成本，单片开关电源一般采用简易式单级滤波器。

L1用来滤除共模干扰，C1、C2用来滤除串模干扰。

电源滤波器的作用：一方面是滤除由电网传来的杂波电压，净化输入电源，另一方面也阻止高频开关电源的振荡电压窜入电网干扰其它电器。

一种基于TOP224Y的单片开关电源设计

一种基于TOP224Y的单片开关电源设计开关电源是一种利用电子开关器件（MOSFET、BJT等）控制开关管的导通和截止，通过变压器和滤波电路将交流电转换为所需直流电压和电流的电源装置。

TOP224Y是Power Integrations公司生产的一款集成开关电源控制电路芯片，具有宽工作电压范围、高效率和保护功能等特点，适用于AC/DC和DC/DC应用。

本文将设计一种基于TOP224Y的单片开关电源，包括输入电路、整流滤波电路、功率开关电路、恒流控制电路和输出电路等部分。

一、输入电路设计：1.选择合适的输入电压范围，根据具体应用需求选择220V或110V交流电。

TOP224Y的工作电压范围为85VAC至265VAC。

2.接入电源线路，需要注意线路的接线安全性，使用绝缘电源插头和标准线路。

此外，还需考虑过压、过流、过温等保护电路，保证设备的可靠性和安全性。

二、整流滤波电路设计：1.整流器：使用桥式整流电路，将交流电转换为直流电，提供给后续的功率开关电路。

TOP224Y的输入电流范围为15mA至30mA。

2.滤波器：使用电容和电感构成的滤波器，对整流后的直流电进行滤波，减小电源电流的纹波幅度，提供稳定的直流电源。

需根据应用需求选择合适的电容和电感值。

三、功率开关电路设计：1.选择合适的功率开关器件，TOP224Y支持外接MOSFET或BJT作为功率开关管。

根据应用需求选择合适的开关器件，考虑其导通电阻、耐压能力和响应速度等指标。

2.设计开关电路的驱动电路，将TOP224Y的控制信号转换为开关管的驱动信号，保证开关管的灵敏性和可靠性。

四、恒流控制电路设计：1.根据应用需求，设计合适的恒流控制电路，保证输出电流的稳定性和精度。

TOP224Y具有电流限制和恒流模式功能，可根据具体应用要求进行设计。

2.根据实际需求，选择合适的反馈电路，将输出电流与参考电流进行比较，通过反馈信号控制TOP224Y，实现恒流输出控制。

单片开关电源设计要点及电子数据表格

单片开关电源设计要点及电子数据表格1单片开关电源的设计要点1.1电源效率的选定开关电源效率（η）是指其输出功率（PO）与输入功率（PI）（即总功率）的百分比。

需要指出，单片开关电源的效率随输出电压（UO）的升高而增加。

因此，在低压输出时（UO=5V 或3.3V），η可取75％；高压输出时（UO≥12V）,η可取85％。

在中等电压输出时（5V因电源效率η=PO／PI，故开关电源的总功耗PD=PI－PO=－PO=·PO（1）PD中包括次级电路功耗和初级电路功耗。

重要的是应知道初、次级功耗是如何分配的。

损耗分配系数（Z）即反映出这种关系。

设初级功耗为PP，次级功耗为PS，则PP＋PS=PD，Z=PS／PD，而1－Z=PP／PD。

需要注意的是，次级功耗与高频变压器传输功率的大小有关，而初级钳位二极管的功耗应归入次级功耗之中。

这是因为输入功率在漏极电压被钳位之前，已被高频变压器传输到次级的缘故。

1.2如何计算输入滤波电容的准确值输入滤波电容的容量是开关电源的一个重要参数。

CIN值选的过小，会使UImin值大大降低，而输入脉动电压UR却升高。

但CIN值取得过大，会增加电容器成本，而且对于提高UImin 值和降低脉动电压的效果并不明显。

下面介绍计算CIN准确值的方法。

交流电压u经过桥式整流和CIN滤波，在u=umin情况下的输入电压波形。

该图是在PO=POM，fL=50Hz（或60Hz）、整流桥的响应时间tc=3ms、η=80％的情况下绘出的。

由图可见，在直流高压UImin上还要叠加上一个幅度为UR的初级脉动电压，这是CIN在充放电过程中形成的。

欲获得CIN的准确值，可按下式进行计算：CIN=（2）图1交流电压为最小值时的输入电压波形图2正向恢复时间的电压波形图3TOPSwitch Ⅱ等系列在230V交流输入时各电压参数的电位分布举例说明，在宽范围电压输入时，umin=85V。

TOP223Y开关电源设计

多路输出式单片开关电源的电路设计（单片开关电源技术讲座之三）河北科学大学沙占友庞志锋武卫东（石家庄050054）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。

本文阐述其多路输出式电路设计方法。

在电子仪器、自控装置中也要给各种模拟与数字电路提供多路电源。

利用单片开关电源可实现多路电压输出。

下面通过一个典型实例来详细介绍多路输出式开关电源的优化设计。

1电路设计方案1．1确定多路输出的技术指标假定要设计的开关电源具有三路输出：主输出UO1（5V，2A，10W）,辅助输出为UO2（12V，，）和UO3（30V，20mA，）。

总输出功率为25W。

技术指标详见表1。

各路输出的稳压性能对于电路结构和高频变压器的设计至关重要。

通常，主输出的稳定性要高于辅助输出。

现将＋5V作为主输出，专门供CMOS，TTL数字电路使用，其负载调整率SI≤±1％，其余两路优于±5％。

1．2确定反馈电路多路输出的反馈电路有四种类型：基本反馈电路；改进型基本反馈电路；配稳压管的光耦反馈电路；配TL431的光耦反馈电路。

以第四种电路的稳压性能为最佳。

利用表2可选定反馈电路。

需要指出，多路输出要比单路输出的SI值高，并且主输出指标优行辅助输出。

表2可供多路输出选择的四种反馈电路配TL431的光耦反馈电路±1％≤5％由TL431提供高稳定度的参考电压，主输出作为主要反馈信号，其余各路输出按一定比例反馈。

（1）基本反馈电路是利用反馈绕组间接获取输出电压的变化信号，因此不需要使用光耦合器。

该方案的电路最为简单，但开关电源的稳定性不高，难于把负载调整率SI降至±5％以下。

若仅为改善轻载时的负载调整率，可在输出端并联一只合适的稳压管，使其稳定电压UZ=U01，此时轻载下的SI<± 5％。

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图3.2 TOPSwitch-II系列芯片内部结构框图
(1)控制电压源:控制电压Uc能向并联调整器和门驱动极提供偏置电压，而控制端电流Ic则能调节占空比。控制端的总电容用Ct表示，由它决定自动重起动的定时，同时控制环路的补偿，Uc有两种工作模式，一种是滞后调节，用于起动和过载两种情况，具有延迟控制作用；另一种是并联调节，用于分离误差信号与控制电路的高压电流源。刚起动电路时由D--C极之间的高压电流源提供控制端电流Ic，以便给控制电路供电并对Ct充电。
(2)带隙基准电压源:带隙基准电压源除向内部提供各种基准电压之外，还产生一个具有温度补偿并可调整的电流源，以保证精确设定振荡器频率和门极驱动电流。
对于PWM方式而言，将频率固定的震荡源称为时钟振荡器，这种电源利用检测电路反映输出电压值，通过和给定参考电压比较产生误差信号，再经V/W电路调制脉冲宽度以调节输出电压。例如，由于某种原因(负载电流减小或电网电压上升)使高频变压器副边输出电压的平均值增大，电源输出电压也将随之提高，反馈检测电路将提高了的输出电压和基准电压进行比较，并产生负极性的误差电压，V/W电路根据该误差电压及时减小输出脉宽，这样使输出电压平均值减小，接近原来的数值，从而实现稳压的作用。
表1.1TOPSwitch-Ⅱ的产品分类及最大输出功率
产品型号
固定输入（110/115/230V,AC,±15％）
宽范围输入（85V～265V,AC）
TOP221Y
12
7
TOP222Y
25
15
TOP223Y
50
30
TOP224Y
75
45
TOP225Y
100
60
TOP226Y
125
75
TOP227Y
150
开关电源的主电路包括输入整流滤波、功率转换和输出整流滤波三个环节。除主电路外还有控制电路，作用是保证主电路正常工作。
开关电源分类方法有很多种：根据输入输出类型可分为DC/DC变换器和AC/DC变换器；根据驱动方式可分为自励式和他励式；根据控制方式可分为脉冲宽度调制式、脉冲频率调制式和混合式；根据电路组成可分为谐振型和非谐振型。
(4)外围电路简单，成本低廉。芯片本身功耗很低，电源效率可达80％左右。
3.TOPSwitch的工作原理
TOPSwitch-II系列芯片内部结构框图如图3.2所示。主要由以下几部分组成：N沟道高压MOSFET管、栅极驱动器、电压模式的PWM控制器、误差放大器、100kHz振荡器、输入欠压保护、输出过流、过热保护电路及尖峰抑制电路等。
(3)漏极D：MOSFET管漏极接入点。在启动时，提供内部偏置电流。
2.TOPSwitch-II的特点
(1)TOPSwitch-II系列芯片将脉宽调制（PWM）控制系统的全部功能集成到三端芯片中。内含脉宽调制器、功率开关场效应管（MOSFET）、自动偏置电路、保护电路、高压启动电路和环路补偿电路，通过高频变压器使输出端与电网完全隔离，真正实现了无工频变压器、隔离式开关电源的单片集成化，使用安全可靠。
单片开关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。TOPSwitch器件是美国功率集成公司(POWER Integrations)于20世纪90年代中期推出的新型高频开关电源芯片。它是三端脱线式PWM开关(Three-terminal Offline PWM Swtich)的英文缩写，其第一代产品以1994年推出的TOP100/200系列为代表，第二代产品则是1997年问世的TOPSwitch-Ⅱ。上述产品一经问世便显示出强大的生命力，它极大地简化150W以下开关电源的设计，使电路大为简化，体积进一步缩小，成本也明显降低。
3．高频开关电源的发展趋势
现代电力电子技术是开关电源技术发展的基础。随着新型电力电子器件和适于更高开关频率的电路拓扑的不断出现,现代电源技术将在实际需要的推动下快速发展。其中开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等是高频开关电源的发展趋势,这些技术的成熟,将实现高效率用电和高品质用电相结合。
2.2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ片开关电源的工作原理
1.成本低廉；
2.系统效率高；
3.电源设计简化；
4.应用灵活性高；
5.功能完善的系统级故障保护。
值得注意的是，TOP222Y还特别为小功率备用电源应用作了优化，弥补了TOPSwitch系列在这一类应用中的不足。应用TOP222Y可以设计出性价比更高的开关电源，可为绿色或节能产品，如个人电脑、监视器、UPS、复印机、传真机提供备用电源，还可在诸如电视、家用电器、工业控制器和个人电脑等产品中应用。
第二章单片开关电源工作原理
2.1开关电源的工作原理
“开关电源”是利用现代电力电子技术，控制功率半导体器件开通和关断的时间比率,使一个电路运行于“开关状态”并维持稳定输出电压的一种电源；与线性稳压电源相比，开关电源具有体积小、效率高、重量轻等一系列优点，在各种电子设备中得到广泛的应用。20世纪90年代，开关电源相继进入各种电子、电器设备领域,程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，这更加促进了开关电源技术的迅速发展。但是，开关电源也存在着电路复杂、射频干扰、电磁干扰大的缺点，随着电子技术的发展，上述缺点正在被逐步克服。
1.2单片开关电源芯片及应用［1］
TOPSwitch系列器件是三端脱线式PWM开关（Threeterminal Offline PWM Swtich）的英文缩写。TOPSwitch系列器件主要包括下列型号：TOP100～TOP104，TOP200～TOP204/TOP214，TOP209/TOP210等。
90
TOP221P/221G
9
6
TOP222P/222G
15
10
TOP223P/223G
25
15
TOP224P/224G
30
20
TOPSwitch系列器件仅用了三个管脚就将脱线式开关电源所必需的具有通态可控栅极驱动电路的高压N沟道功率的MOS场效应管，电压型PWM控制器，100kHz高频振荡器，高压起动偏置电路，带隙基准，用于环路补偿的并联偏置调整器以及误差放大器和故障保护等功能全部组合在一起了。采用TOPSwitch器件的开关电源与采用分立的MOSFET功率开关及PWM集成控制器的开关电源相比，具有以下特点：
开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。
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。为了解决传统开关电源设计面临的这些难题，90年代以来，出现了将开关电源中最重要的两个部分——PWM集成电路和MOSFET功率开关，集成在同一块芯片上，构成PWM/MOSFET二合一集成芯片的趋势，二合一集成控制芯片的问世，降低了开关电源设计的复杂性，减少了开关电源设计所需的时间，从而大大加快了产品进入市场的速度。
此外还可分为单端正激式、反激式、推挽式、半桥式、全桥式、降压式、升压式、升降压式等。
1．开关电源的工作原理
图2.1所示，50Hz单相交流220V电压或三相交流220V/380V电压经EMI防电磁干扰电源滤波器，直接整流滤波，然后再将滤波后的直流电压经变换电路变换为数十或数百kHz的高频方波或准方波电压，通过高频变压器隔离并降压(或升压)后，再经高频整流、滤波电路，最后输出直流电压。通过取样、比较、放大及控制、驱动电路，控制变换器中功率开关管的占空比，便能得到稳定的输出电压。
关键词：开关电源、脉宽调制、TOP222Y
5.3高频变压器的绕制15
第一章序言
1.1开关电源的发展
开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出功率端移动，这为开关电源提供了广阔的发展空间。
图2.1开关电源原理框图
2．脉冲宽度调制型(PWM)开关电源
图2.2 PWM方式开关电源框图
(1)原理结构
采用PWM技术的开关电源原理结构如图2.2所示，从电网将能量传递给负载的回路称为主回路，其余为控制回路。
(2)工作原理
工频电网交流电压经过输入整流滤波电路，得到高纹波未调直流电压，再经功率转换电路，变换成符合要求的矩形波脉动电压，最后经输出整流滤波电路将其平滑成连续的低纹波直流电压。控制回路在提供高压开关T管基极驱动脉冲的同时，需要完成输出电压稳压的控制，而且还必须能对电源或负载提供保护。它通常由检测比较放大电路、电压一脉冲宽度转换电路(V/W电路)、时钟振荡电路、基极驱动电路、过压过流保护电路，以及自用电压源等基本电路构成。
图3.1TOPSwitch的管脚排列
（a）TO－220封装（b）DIP－8封装和SMD－8封装
(1)控制极C：占空比控制误差放大器输入端和反馈电流输入脚。启动时由内部高压电流源提供内部偏置电流；在正常工作时，流入反馈控制电流。同时用作电源旁路电容器和自动启动/补偿电容器的接入点。
(2)源极S：在TO-220封装中，既是MOSFET管的源极接点，也是开关电源初级回路的公共点和参考点。
单片开关电源的原理框图2.3所示。交流220V市电经电源噪声滤波器LF后再
图2.3单片开关电源的原理框图
通过桥式整流器直接整流。电源滤波器的作用一方面是滤除由电网传来的杂波电压，净化输入电源，另一方面也阻止高频开关电源的振荡电压窜入电网，干扰其它电器。市电经整流和电容滤波后，变成308V的直流电压供给TOPSwitch－II器件，TOPSwitch－II构成DC/DC变换电路，它将输入的直流高压变成脉宽可调的高频脉冲电压，经高频变压器降压后再进行半波整流和滤波，变成所需要的直流电压输出。

基于TOP222Y的单片开关电源的设计