单片开关电是国际上90年代才开始流行的新型开关电源芯片

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 TOPSwith-Ⅱ

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,还为选择散热器提供了依据。

1 TOPSwitch－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。这里假定交流输入电压最小值Uimin=85V,最高交流输入电压Uimax=265V。图中的横坐标代表输出功率PO,纵坐标表示电源效率η。所画出的7条实线分别对应于TOP221～TOP227的电源效率,而15条虚线均为芯片功耗的等值线（下同）。

1．2 固定输入时PD与η、PO的关系曲线

TOP221～TOP227系列在固定交流输入（230V±15％）条件下,当UO=＋5V或＋12V时,PD与η、PO 的关系曲线分别如图3、图4所示。

这两个曲线族对于208V、220V、240V也同样适用。现假定Uimin=195V,Uimax=265V。

2 正确选择TOPSwitch－II芯片的方法

利用上述关系曲线迅速确定TOPSwitch－II芯片型号的设计程序如下：

（1）首先确定哪一幅曲线图适用。例如,当Ui=85V～265V,UO=＋5V时,应选择图1。而当Ui=220V(即230V－230V×4.3％),UO=＋12V时,就只能选图4;

（2）然后在横坐标上找出欲设计的输出功率点位置（PO）;

（3）从输出功率点垂直向上移动,直到选中合适芯片所指的那条实曲线。如不适用,可继续向上查找另一条实线;

（4）再从等值线（虚线）上读出芯片的功耗PD。进而还可求出芯片的结温（Tj）以确定散热片的大小;

（5）最后转入电路设计阶段,包括高频变压器设计,外围元器件参数的选择等。

下面将通过3个典型设计实例加以说明。

例1：设计输出为5V、300W的通用开关电源

通用开关电源就意味着交流输入电压范围是85V～265V。又因UO=＋5V,故必须查图1所示的曲线。首先从横坐标上找到PO=30W的输出功率点,然后垂直上移与TOP224的实线相交于一点,由纵坐标上查出该点的η=71.2％,最后从经过这点的那条等值线上查得PD=2.5W。这表明,选择TOP224就能输出30W功率,并且预期的电源效率为71.2％,芯片功耗为2.5W。

若觉得η=71.2％的效率指标偏低,还可继续往上查找TOP225的实线。同理,选择TOP225也能输出30W功率,而预期的电源效率将提高到75％,芯片功耗降至1.7W。

根据所得到的PD值,进而可完成散热片设计。这是因为在设计前对所用芯片功耗做出的估计是完全可信的。

例2：设计交流固定输入230V±15％,输出为直流12V、30W开关电源。

根据已知条件,从图4中可以查出,TOP223是最佳选择,此时PO=30W,η=85.2％,PD=0.8W。

例3：计算TOPswitch－II的结温

这里讲的结温是指管芯温度Tj。假定已知从结到器件表面的热阻为RθA(它包括TOPSwitch－II管芯到外壳的热阻Rθ1和外壳到散热片的热阻Rθ2)、环境温度为TA。再从相关曲线图中查出PD值,即可用下式求出芯片的结温：

Tj=PD·RθA＋TA (1)

举例说明,TOP225的设计功耗为1.7W,RθA=20℃/W,TA=40℃,代入式（1）中得到Tj=74℃。设计时必须保证,在最高环境温度TAM下,芯片结温Tj低于100℃,才能使开关电源长期正常工作。

3 根据输出功率比来修正等效输出功率等参数

3．1 修正方法

如上所述,PD与η,PO的关系曲线均对交流输入电压最小值作了限制。图1和图2规定的Uimin=85V,而图3与图4规定Uimin=195V（即230V－230V×15％）。若交流输入电压最小值不符合上述规定,就会直接影响芯片的正确选择。此时须将实际的交流输入电压最小值Uimin′所对应的输入功率PO′,折算成Uimin为规定值时的等效功率PO,才能使用上述4图。折算系数亦称输出功率比（PO′/PO）用K表示。TOPSwitch－II在宽范围输入、固定输入两种情况下,K与U′min的特性曲线分别如图5、图6中的实线所示。需要说明几点：

（1）图5和图6的额定交流输入电压最小值Uimin依次为85V,195V,图中的横坐标仅标出Ui在低端的电压范围。

（2）当Uimin′>Uimin时K>1,即PO′>PO,这表明原来选中的芯片此时已具有更大的可用功率,必要时可选输出功率略低的芯片。当Uimin′（3）设初级电压为UOR,其典型值为135V。但在Uimin′<85V 时,受TOPSwitch－II调节占空比能力的限制,UOR会按线性规律降低UOR′。此时折算系数K=UOR′/UOR<1。图5和图6中的虚线表示UOR′/UOR与Uimin′的特性曲线,利用它可以修正初级感应电压值。

现将对输出功率进行修正的工作程序归纳如下：

（1）首先从图5、图6中选择适用的特性曲线,然后根据已知的Uimin′值查出折算系数K。

（2）将PO′折算成Uimin为规定值时的等效功率PO,有公式

P O=P O′/K（2）

（3）最后从图1～图4中选取适用的关系曲线,并根据PO值查出合适的芯片型号以及η、PD参数值。