基于TOPSwitch-II的单片开关电源设计.Stamped
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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 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 。
绕制变压器时 ,初级绕组绕在最里层 ,以缩短每匝
导线长度 ,减小初级绕组的分布电容 ,初级绕组被其它
绕组所屏蔽 ,可 降低 初级绕组至相邻元件 的电噪声 。
采用次级调整方案 ,把反馈绕组放在最外层 ,此时反馈
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
440 Hz; (4 )开关频率的典型值为 10 0 kHz,允许范围 90 ～
110 kHz,占空比调节范围 1. 7 % ～67 % ; (5 ) TO PSwitch2II具有 自动重启和逐周电流限制
功能 ,故可对功率变压器初级和次级电路的故障进行 保护 。 TOPSwitch2II还具有 过热关闭 选通功能 ,可在 电路超负荷时有效地保护电源 ;
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 。
·44 ·
绕组与次级 绕组的耦 合最强 , 对输出 电压的变化 反应得更 灵敏 , 另外能减 小反馈绕组与初级绕组的耦合及反馈 输出的峰值 充电效应 ,也有 助于提高 稳压性能 [ 1 ] 。 1. 2 输出电路设计
+ 5 V 输 出 采 用 肖 特基 二 极 管 MBR650 ,其管压降小 ,可提高效率 ,高 频电压经其整 流后由滤 波电容 C7 滤 波 ,再经 L2 组成低通滤波器向负载输 出 , C8 可降低交流纹波 。
环路稳定性 ,原边电流脉动系数 KRP应该取大些 ,此处
取 0. 8 , 初 级 电 流 峰 值
IP
= [1 -
IAV 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 ] 。
ZHANG Xiao2hua, ZHANG Chun2xi ( College of Electrica l and Elec tronic Enginee ring, Harb in Unive rsity of
Science and Technology, Ha rbin 15 004 0 , China )
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
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 。
(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 。
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 。
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
控制端旁路电容 C3 的作用有 3 个 :滤除控制端上 的尖峰电压 ,决定自动重启动频率 ,和 R1 一起对控制回 路进行补偿 。为避免刚接通电源时输出电压产生过冲 现象 ,可如图 1 所示加一个软启动电容 C11 ,刚上电时 C11两端电 压不能突变 ,使 得 TL431 阴阳极 电压为 0 , TL431不工作。随着整流滤波器输出电压逐渐升高并 由光耦中 LED上的电流和 R3 上的电流对 C11充电 ,端 电压不断升高 , TL431 逐渐转入正常工作状态 ,输出电 压就在延迟时间内缓慢上升 ,最终达到 + 5V稳压值。 1. 4 反馈电路设计
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 =
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
张小华 ,张春喜 (哈尔滨理工大学电气与电子工程学院 ,黑龙江 哈尔滨 150 040 )
摘要 : TOPSw ich2II器件为三端单 片开关电源 ,是一种将 PWM 和 MOSFET合二为一的新 型集成芯片 。与普通线性 稳
压电源相比其优点为体积小 、重量轻 ,并且密度高 、价格低 ;采 用它制作 高频开 关电源 ,不 仅简化 了电路 ,同时可 以改善 电
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
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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
(1 ) PWM 控制系 统的全部功能均集成在三端芯 片中 。通过高频变压器使输出端与电网完全隔离 ,由 于采用 CMOS电路 ,使器件功 耗显著降低 ,电源效率 高 ,且可以采用体积较小的滤波元件和散热器 ;
(2 )它属于漏极开路输出并且利用电流来线性调 节占空比的 AC /DC电源变换器 ,即电流控制型开关电 源;
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、
(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
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.
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 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 。
绕制变压器时 ,初级绕组绕在最里层 ,以缩短每匝
导线长度 ,减小初级绕组的分布电容 ,初级绕组被其它
绕组所屏蔽 ,可 降低 初级绕组至相邻元件 的电噪声 。
采用次级调整方案 ,把反馈绕组放在最外层 ,此时反馈
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
440 Hz; (4 )开关频率的典型值为 10 0 kHz,允许范围 90 ～
110 kHz,占空比调节范围 1. 7 % ～67 % ; (5 ) TO PSwitch2II具有 自动重启和逐周电流限制
功能 ,故可对功率变压器初级和次级电路的故障进行 保护 。 TOPSwitch2II还具有 过热关闭 选通功能 ,可在 电路超负荷时有效地保护电源 ;
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 。
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绕组与次级 绕组的耦 合最强 , 对输出 电压的变化 反应得更 灵敏 , 另外能减 小反馈绕组与初级绕组的耦合及反馈 输出的峰值 充电效应 ,也有 助于提高 稳压性能 [ 1 ] 。 1. 2 输出电路设计
+ 5 V 输 出 采 用 肖 特基 二 极 管 MBR650 ,其管压降小 ,可提高效率 ,高 频电压经其整 流后由滤 波电容 C7 滤 波 ,再经 L2 组成低通滤波器向负载输 出 , C8 可降低交流纹波 。
环路稳定性 ,原边电流脉动系数 KRP应该取大些 ,此处
取 0. 8 , 初 级 电 流 峰 值
IP
= [1 -
IAV 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 ] 。
ZHANG Xiao2hua, ZHANG Chun2xi ( College of Electrica l and Elec tronic Enginee ring, Harb in Unive rsity of
Science and Technology, Ha rbin 15 004 0 , China )
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
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 。
(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 。
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 。
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
控制端旁路电容 C3 的作用有 3 个 :滤除控制端上 的尖峰电压 ,决定自动重启动频率 ,和 R1 一起对控制回 路进行补偿 。为避免刚接通电源时输出电压产生过冲 现象 ,可如图 1 所示加一个软启动电容 C11 ,刚上电时 C11两端电 压不能突变 ,使 得 TL431 阴阳极 电压为 0 , TL431不工作。随着整流滤波器输出电压逐渐升高并 由光耦中 LED上的电流和 R3 上的电流对 C11充电 ,端 电压不断升高 , TL431 逐渐转入正常工作状态 ,输出电 压就在延迟时间内缓慢上升 ,最终达到 + 5V稳压值。 1. 4 反馈电路设计
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 =
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 ] 。
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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
张小华 ,张春喜 (哈尔滨理工大学电气与电子工程学院 ,黑龙江 哈尔滨 150 040 )
摘要 : TOPSw ich2II器件为三端单 片开关电源 ,是一种将 PWM 和 MOSFET合二为一的新 型集成芯片 。与普通线性 稳
压电源相比其优点为体积小 、重量轻 ,并且密度高 、价格低 ;采 用它制作 高频开 关电源 ,不 仅简化 了电路 ,同时可 以改善 电
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
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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
(1 ) PWM 控制系 统的全部功能均集成在三端芯 片中 。通过高频变压器使输出端与电网完全隔离 ,由 于采用 CMOS电路 ,使器件功 耗显著降低 ,电源效率 高 ,且可以采用体积较小的滤波元件和散热器 ;
(2 )它属于漏极开路输出并且利用电流来线性调 节占空比的 AC /DC电源变换器 ,即电流控制型开关电 源;
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、
(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
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.