TOP223Y开关电源设计

±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％ 。 （2） 改进型 （亦称增强型） 基本反馈电路其特点是在反馈电路中串联一只 22V 的稳压管， 再并联一只 0.1μF 电容器。
参考。图 2 分别示出它们的结构。分离式的每个绕组上仅传输与该路特定负载有关的电流。因 3 个次级绕 组互相独立，故在确定各绕组的排列顺序上有一定灵活性。现考虑到 5V（2A）和 12V（1.2A）输出绝大部 分的功率，因此可将这两个绕组中的一个靠近初级。最佳排列顺序是先绕 5V，再绕 12V，最后绕 30V，使 次级各绕组之间耦合最好，漏感最小。反之，若将 30V 绕组紧靠初级，由于 5V 及 12V 漏感较大，就会降低 电源效率，并且增加干扰。 堆叠式绕法是变压器生产厂家经常采用的方法。其特点是由 5V 绕组给 12V 绕组提供部分匝数及接地端；而 30V 绕组中则包含 5V、12V 绕组和新增加的匝数。各绕组的线径必须满足该路输出电流与其他路输出流过 它上面电流总和的要求。堆叠式绕法的技术先进，不仅能节省导线，减少绕组体积和降低成本，还可增加 绕组之间的互感量，加强耦合程度。举例说明，当 5V 输出满载，而 12V 和 30V 输出轻载时，由于 5V 兼作 12V、30V 的一部分，因此能减小这些绕组的漏感，可以避免因漏感使 12V 和 30V 输出电路中的滤波电容被 尖峰电压充电到峰值（亦称峰值充电效应），而引起输出电压不稳定。堆叠式绕法的不足之处是在确定哪 个次级绕组靠近初级时，灵活性较差。现将 5V 绕组作为次级绕组的始端。 在绕制时，特别推荐将多股导线并联后平行绕在骨架上。这样，能保证良好的覆盖性，增强初级与次级的 耦合程度。
①K≠50％时，可按下式计算 R6 阻值
（4）
②参照上述方法还可以给 30V 输出增加反馈电路。
作者简介
沙占友男 1944 年 9 月生，河北科技大学教授，已出版专著 14 部，发表论文 110 余篇。主要研究方向为数 字化测量技术、仪器仪表及特种电源。收稿日期：2000.6.6 定稿日期：2000.8.17
图 3 由 5V 和 12V 输出同时提供反馈的电路
图 4 改进前后负载特性曲线的比较
的负载电流发生变化时，会影响 12V 输出的稳定性。解决方法是给 12V 输出也增加反馈，电路如图 3 所示。 在 12V 输出端与 TL431 的基准端之间并上电阻 R6，并将 R4 的阻值从 10kΩ 增至 21kΩ。由于 12V 输出亦提 供一部分反馈信号， 因此可改善该路的稳定性。 在改进前， 当 5V 主输出的负载电流从 0.5A 变化到 2.0A （即 从满载电流的 25％变化到 100％）时，12V 输出的负载调整率 SI=±2％；经改进后，SI=1.5％。改进前后 的负载特性曲线如图 4 所示。下面介绍 12V 输出的反馈电路设计方法。 12V 输出的反馈量由 R6 的阻值来决定。假定要求 12V 输出与 5V 输出的反馈量相等，各占总反馈量的一半， 即反馈比例系数 K=50％。 此时通过 R6、 R4 上的电流应相等， 即 IR6=IR4。 TL431 的基准端电压 UREF=2.50V。 改进前，全部反馈电流通过 R4，因此 即 IR6=250μA/2=125μA。R6 的阻值由下式确定： (2) 改进后，50％的电流从 R6 上通过，
TOPSwitch 单片开关电源的原理与应用
[编者按]虑及当前电源技术的发展，单片型开关电源已开始流行，并且具有强大的生命力，为此我们特邀 国内著名科技图书作者沙占友教授等撰写这篇讲座稿，计划连载 5 期，以飨读者。本文也是本刊今年第 6 期 P.271《集成稳压器的应用技术》讲座的继续。 (单片开关电源技术讲座之一) 河北科技大学沙占友张英黄丽敏（石家庄 050054） 摘要：三端单片开关电源是目前国际 90 年代才开始流行的新型开关电源芯片。本文阐述其性能特点、工作 原理及两种典型应用电路。 关键词：单片开关电源脉宽调制误差放大器光耦反馈 The Principle and Application of TOPSwitch Single chip Switching Power Supply Abctract:Three ends single chip switching power suply is a new type switching power supply core which has been popular since 1990. This paper introduces properties and principle of the core as well as two types of applicational circuit. Keywords: Single chip switching power supply,PWM,Error amplifler,Optical courling, Feedback 中图法分类号：TM94 文献标识码：A 文章标号：0219 2713(2000)08 424 04 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。美国动力（Power）公司在世界上率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，被誉 为“顶级开关电源”。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，它极大地简化了 150W 以下开关电源的 设计和新产品的开发工作，也为新型、高效、低成本开关电源的推广与普及创造了良好条件，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、手机电池充电器、功率放大器等领域， 并能构成各种小型化、高密度、在价格上能与线性稳压电源相竞争的 AC／DC 电源变换模块。 1 产品分类及性能特点 1.1 产品分类 TOPSwitch 包括 TOP100 系列（TOP100Y～TOP104Y），TOP200 系列（TOP200Y～TOP202Y，TOP214Y），TOP209 ／210 系列，TOPSwitch－Ⅱ系列（TOP221～TOP227）。TOPSwitch－Ⅱ与第一代产品相比，它不仅在性能 上进一步改进，而且输出功率得到显著提高，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，其产品分类见表 1。 表 1TOPSwitch－Ⅱ的产品分类及最大输出功率 POM 单位：W
在计算次级各绕组的匝数时，可取相同的“每伏匝数”。每伏匝数 Nv 由下式确定：
（1）
单位是“匝数/V”。将 NS=4 匝，UO1=5V，UF2=0.4V(肖特基整流管压降)代入上式得到，Nv=0.74 匝/V。由 此可计算其他绕组的匝数。 对于 12V 输出，已知 UO2=12V，UF2=0.7V（快恢复整流管压降），因此 N12=0.74 匝/V×（12V＋0.7V）=9.4 匝。实取 9 匝。 对于 30V 输出，因 UO3=30V，UF3=0.7V（硅整流管压降），故 N30=0.74 匝/V×（30V＋0.7V）=22.7 匝。实 取 22 匝。 在选取输出整流管的参数时，应遵循以下原则：管子的额定工作电流（IF）至少为该路最大输出电流的 3 倍；管子的最高反向工作电压（URM）必须高于最低耐压值（UR）。根据上述原则所选输出整流管的型号及 参数，见表 4。由表可见，所选整流管的技术指标均留有一定的余量。 表 4 各路输出整流管的选择
主输出 第1路 UO1（V） IO1（A） PO1(W) ＋ 5(±5％) 0.4～ 2.0 10 UO2（V） ＋ 12(±10％) 第2路
辅助输出 第3路 UO3(V) ＋ 30(±10％) IO3(mA) PO3(W) 10～20 0.6 25W 总输出功 率 PO
IO2（A） PO2(W) 0.12～ 1.20 14.4
规定指标 输出电压 最大输出电流（A） 最低耐压（V） 5V 12V 30V 2.0A 1.2A 20mA 30V 70V 170V
整流管型号与参数 型号 MBR745 MUR420 UF4004 IF（A） VRM（V） 7.8A 4.0A 1.0A 45V 200V 400V
Hale Waihona Puke Baidu
3 多路输出单片开关电源的改进方案 图 1 所示开关电源电路，仅从 5V 主输出上引出反馈信号，其余各路未加反馈电路。这样，当 5V 输出
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。 关键词：单片开关电源多路输出电路设计 中图法分类号：TN86 文献标识码：A 文章编号：0219－2713(2000)10－545－04 许多家电产品（如电视机、机顶盒解码器、录像机）都需要由多路稳压电源来供电。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，1.2A，14.4W） 和 UO3（30V，20mA，0.6W）。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
将 UO2=12V，UREF=2.50V,IR6=125μA 代入（2）式中得到 R6=76kΩ，可取标称阻值 75kΩ。由于 IR4 已从 250μA 减至 125μA，因此还须按下式调整 R4 的阻值： （3）
将 UO1=5V，UREF=2.50V,IR4′=125μA 代入（3）式中得到，R4=20kΩ。考虑到接上 R6 之后，5V 输出的稳 定度会略有下降，应稍微增大 R4 阻值以进行补偿，实取 R4=21kΩ。 需要说明两点：
图 2 次级绕组的两种绕制方法 （a）分离式绕法(b)堆叠式绕法 另一种是堆叠式绕法。表 3 列出二者的优缺点，可供 表 3 次级绕组两种绕法的比较
绕制 方法
优点
缺点
分离 排列具有灵活性，可将输出电流较大的某 1 因漏感较大，在输出滤波电容上会产生峰值充电效 式绕 一路输出靠近初级，能把漏感引起的能量 应，导致轻载下的负载调整率变差。2 制造成本较高。 法 堆叠 式绕 法 损失减至最小。 1 能加强磁耦合。2 能改善轻载时的 稳压性能。3 骨架上的引脚较少（仅 4 个）。4 制造成本低。 3 骨架上的引脚较多（共 6 个）。 1 电压最低（或最高）的绕组须靠近初级。2 为降低 大电流时的漏感缺乏灵活性。
负载调整率 反馈电路类型 主输出 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 ±5％ ±2.5％ 辅助输 出 ≥10％ ≥10％ 在输出端并联一只稳压管，可改善轻载时的负载调整率。 在反馈电路中增加稳压管和电容。 电路说明
±2％
≥5％
由稳压管提供参考电压。
配 TL431 的光耦反 馈电路
表 1 多路输出的技术指标
图 1 多路输出式 25W 开关电源的电路
（3）配稳压管的光耦反馈电路它是利用一只稳压管的稳定电压作为次级参考电压。由稳压管的稳定电压 （UZ）、光耦合器中 LED 的正向压降（UF）和用于控制环路增益的串联电阻 R1 上的压降（UR1）这三者之 和，来决定输出电压值。当 UZ 的偏差小于 2％时，能将主输出的负载调整率控制在±2％以内，该电路的 缺点是参考电压的稳定度不高，并且只对主输出进行反馈，其他各路辅助输出未加反馈，因此辅助输出的 电压稳定性较差。 （4）配 TL431 的多路输出光耦反馈电路其特点是： ①利用 TL431 型可调式精密并联稳压器构成次级误差电流放大器，再通过光耦合器对主输出进行精确 的调整； ②除主输出作为主要的反馈信号之外，其他各路辅助输出也按照一定比例反馈到 TL431 的 2.50V 基准 端，这对于全面提高多路输出式开关电源的稳压性能具有重要意义，也是单片开关电源的一项新技术。 1．3 设计开关电源电路 根据上述原则设计成的多路输出式 25W 开关电源的电路，如图 1 所示。该电路采用一片 TOP223Y 型三端单 片开关电源，交流输入电压范围是 85V～265V。高频变压器的次级有 3 个独立绕组，仅在主输出端（＋5V） 设计了带 TL431 的光耦反馈电路。 多路输出式开关电源有两种工作方式： （1）不连续模式（DCM），其优点是在同等输出功率的情况下，高频变压器能使用尺寸较小的磁芯； （2）连续模式（CCM），其优点是能提高 TOPSwitch 的利用率。多路输出式开关电源一般选择连续方 式，因高频变压器尺寸不再是重要问题，此时需关注的是多个次级绕组如何与印制电路实现最佳配合。 2 多路输出式高频变压器的设计 高频变压器采用 EE29 型铁氧体磁芯，其有效磁通面积 SJ=0.76cm2。留出的磁芯气隙宽度 δ=0.38mm。骨架 有效宽度为 26mm。初级绕组采用 0.3mm 漆包线绕 77 匝，反馈绕组用 0.3mm 漆包线绕 9 匝。 次级绕组有两种绕制方法，一种是分离式绕法，