基于TPS40200芯片的开关电源设计与分析

fp0=
VRAMP VIN
×fcro
在 TPS40200 中 VIN VRAMP
=10，则 fp0=0.1×fcro=5 000 Hz。
由电路原理图得：
（11）
fp0=
1 2π（C7+C6）R1
（12）
由于反馈补偿网络中采用 wz1、wz2 来补偿 LC 输出电路中的两
个极点，则有：
fz1=fz2=fLC=
图 5 瞬态特性
4 结语
本文设计的电源采用 TI 公司的 TPS40200 非隔离 DC／DC 控 制器，集成度高、电源体积小。通过仿真和实验得到该电源的工作 效率在 97%左右，效率高。通过 SwitcherPro 得到该电源的相位稳 定裕度在 63 度左右，稳定性很好。通过 PSpice 验证得到该电源的 输出电流纹波小、瞬态响应快。实验表明，本文设计的开关电源各 方面性能良好，能够满足实际使用的要求，具有一定的实用价值。 此外，本文提出的基于 TPS40200 的开关电源设计方法为非标准 应用的开关电源提供了一种通用的解决方案。
10
100
2
3
1
4ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
100
1k
10 k
100 k
图 3 开环波特图
240
210
180
150
120
90
60
30
0
－30
－60
－90 －120
1M
100 M
96.94 97.36 97.57 97.68 97.73 97.75 97.74 97.72 95.97 95
92.46
90
0
0.2
0.4
0.6
0.8
关频率 fsw 为 300 kHz［1］。fsw 的大小由 TPS40200 的引脚 RC 上 R12 和
C14 决定［2］：
fsw
=
1 R12×C14×0.105
（1）
取 R12=68.1 kΩ，C14=470 pF。 （2）由公式［2］：
R R Vout=0.708
1+ R1 R17
（2）
可得输出电压可以通过连接到 TPS40200 的 FB 引脚的电阻
（4）输出电容 C18 的计算如下［3］：
0.5×L2×I02≤0.5×
RC18
2
×（Vos
－Vo2）R
（8）
式中，Vos 为最大输出峰值电压。
计算得：C18=10 μH。
（5）该电源属于降压输出，因此采用 buck 拓扑结构。该电源从
PWM 控制、开关切换、LC 输出电路的传递函数可表示为：
130
收稿日期：2010－10－21 作 者 简 介 ：陈 杰（1987—），男 ，四 川 眉 山 人 ，硕 士 研 究 生 ，研 究 方 向：微机在工业控制中的应用。
机电信息 2010 年第 36 期总第 282 期 131
关键词：开关电源；反馈补偿；稳定性
近年来，随着电源技术的发展，开关稳压电源正朝着高 频化和集成化的方向发展。与线性电源相比，开关电源具有 功耗低、效率高、体积小、质量轻、稳压范围宽、滤波的效率高、 电路形式灵活多样、驱动能力强、可靠性高等诸多优点，在电 子设备中应用越来越广泛。但目前市面上应用较广泛的开关 电源其输出电压有 12 V、15 V 和 24 V 几种类型，远远不能满 足实际应用的需要，如多功能吞咽障碍电疗仪中要求开关电 源的输出电压为 30 V。基于实际应用的需要，本以 TPS40200 为核心设计了一种输出电压为 30 V 的宽输入非同步降压 DC／DC 控制开关电源，为非标准应用的开关电源提供了一 种通用的解决方法。
（17）
fp2 的值并不固定，考虑相位裕度的大小，可以将 fp2 的值向穿
越频率移动。fp2 的值可以通过 SwitcherPro 和 Matlab 工具反复迭代
计算，以找出最合适的值。
联立以上几式，进行反复校正，得到补偿网络中各元器件的
值，如图 1 所示。应用 TI 公司提供的 SwitcherPro 软件得到整个系
设计研究◆Sheji Yanjiu
基于 TPS40200 芯片的开关电源设计与分析
陈 杰 樊庆文 邓川云
（四川大学制造科学与工程学院，四川 成都 610065）
摘 要：阐述了开关电源的基本工作原理，基于 TPS40200 宽输入非同步降压 DC／DC 控制器设计了一种 30 V 输出的开关电源，给出了其电 路原理图，并对其反馈补偿网络进行了分析和计算，利用 PSpice 和 SwitcherPro 分析了其瞬态特性和稳定性。实验表明，该开关电源工作稳定可 靠，各项性能指标均满足要求，能够准确输出 30 V 电压，且具有效率高、响应快等特点。
1 开关电源的结构及工作过程
开关电源的基本电路由输入电路、功率变换电路、输出电路和
控制电路等组成，如图 1 所示。
交流输 入电压
低通 滤波
一次 整流
有源 调整
开关 器件
变压 器
二次 整流
平滑 滤波
直流输 出电压
输入电路
功率因数校正
功率变换电路
输出电路
脉冲 驱动
采样 电路
脉宽 调制
频率振荡发生器
误差 放大
R1 、R17 的大小来设定。取 R1 =10 kΩ，得：R17 =237 Ω。
（3）输出电感 L2 的计算公式如下［1，4 ］：
L2=
VON×D r×IL×fsw
（3）
式中，VON 为导通时 L2 两端电压；D 为占空比，r 为输出电流纹波
率；IL 为电感电流；fsw 为开关频率。
本文设计的电源属于 buck 拓扑结构，因此：
比较器
控制电路
基准 电压
图 1 开关电源的工作原理框图 输入电路包括低通滤波和一次整流环节，交流电直接经低通 滤波器和桥式整流电路后得到未稳压的直流电压。此电压接下来 进行功率因数校正，其目的是将输入电流和输入电压调整到同相 从而提高功率因数。功率变换电路包含开关电路、输出隔离（变压 器）电路等，是电源变换的主通道，完成对带有功率的电源波形进 行斩波调制和输出。输出电路是将输出电压整流成脉动直流，并平 滑成低纹波直流电压。控制电路中，输入电压经过分压、采样后与 电路的基准电压进行比较、放大。频率振荡发生器通过产生高频波 段信号与控制信号叠加进行脉宽调制，达到脉冲宽度可调，从而实 现输出电压的改变。脉宽调制器是开关电源的核心，它能产生频率 固定而占空比可调的驱动信号，控制功率开关管的通断来调整输 出电压高低达到稳定电压的目的，其中锯齿波发生器提供时钟信 号，利用信号放大器和 PWM 比较器构成闭环调节系统。
2 开关电源的设计
本文基于 TPS40200 设计了一种宽输入非同步降压 DC／DC 控制器的 30 V 输出开关电源，其电路原理图如图 2 所示。
（1）电源的 36 V 输入通过变压器和桥式整流电路得到。根据
图 2 基于 TPS40200 开关电源设计原理图
TI 公司提供的数据手册和兼顾电源的体积考虑，选择 TPS40200 的开
VON=VINMAX－Vo D= Vo VINMAX IL=Io
联立以上几式得到：
（4） （5） （6）
L2=
VINMAX-Vo Io ×r
× Vo VINMAX×fsw
（7）
取输出电流纹波率 r=0.17，输入最大电压 VINMAX=36 V，输出电
压 Vo=30 V，输出电流 IL=1 A，得到电感大小 L2=100 μH。
穿越频率；ωz1、ωz2 为补偿环节中的两个零点角频率，用来对消 G（s）
中两 LC 输出电路中的两个极点，减小信号的相移；ωp1 为用来对消
G（s）中的输出电容 ESR 产生的零点；ωp2 为降低整个环节对高频的
敏感度，同时减小相位裕度到合适值。
因为开关频率为 300 kHz，将穿越频率 fcro 取为 50 kHz，则补偿 环节中：
［参考文献］ ［１］ Ｓａｎｊａｙａ ｍｎｉｋｔａｌａ，王志强译．精通开关电源设计［Ｍ］．北京：人民
邮电出版社，２００８ ［２］ Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ．ＴＰＳ４０２００．ｐｄｆ［Ｚ］．ＵＳＡ：Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，
２００８ ［３］ Ｍａｒｔｙ Ｂｒｏｗｎ 著，徐德鸿等译．开关电源设计指南［Ｍ］．北京：机械
补偿环节，使整个电源系统的开环增益在穿越频率处的斜率为 －1
并且有一定的相位裕度。根据本文需要，反馈补偿电路采用 3 型补
偿网络，其传递函数如下［4］：
ω ωω ω H（s）= ωP0 ×
s +1 ωz1
s +1 ωz2
ω ωω ω s
s +1 s +1
ωp1
ωp2
（10）
式中，ωP0 为补偿环节中的零极点角频率，增大开环直流增益，调整
1
2π 姨C18 L2
（13）
fz1=
1 2πR3C6
（14）
fz2=
1 2π（R1+R5）C8
（15）
由于反馈补偿网络采用 ωp1 来对消输出电容 ESR 的零点频
率，则有：
fp1=fesr=
1 2πResrC18
（16）
其中，Resr 取为 8 mΩ。
ω ω fp2=10fcro= 2πR3
1 C6C7 C6+C7
统的开环波特图，如图 3 所示。
曲线 1 为补偿网络增益曲线；曲线 2 为开环增益曲线；曲线 3 为
补偿网络相位曲线；曲线 4 为开环相位曲线。开环系统的穿越频率约
为 50 kHz 左右，与设计相符。相位裕度为 63 度，满足稳定性要求。
Gain／dB Phase
40 30 20 10 0 －10 －20
Sheji Yanjiu◆设计研究
s +1
ω ω G（s）= VIN × ω ω ω ω VRAMP
s ω0
ωesr
2
+1 Q
s ω0 +1
（9）
式中，ωesr 为输出电容 ESR 的零点角频率；ω0 为 LC 输出回路谐振
角频率；Q 为品质因数。
为了维持整个电源控制环路的稳定性，必须设计相应的反馈
工业出版社，２００４ ［４］ Ａｂｒａｈａｍ Ｉ．Ｐｒｅｓｓｍａｎ．Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ Ｄｅｓｉｇｎ［Ｍ］．ＵＳＡ：
Ｍｃ－ＧｒａｗＨｉｌｌ Ｃｏｍｐａｎｙ，１９９８
3 工作效率和瞬态特性
通过 Switcher Pro 得到整个电源的效率，如图 4 所示，可知该 电源的效率达 97%以上。
1
curren（t A）
图 4 电源效率
通过 PSpice 得到该电源的输出电压电流曲线图，如图 5 所示，
可知该电源在 1 ms 的启动时间后达到输出 30 V 的电源电压要求。
2.0 A
0A
SEL>> －2.0 A （I L2:1）
40 V
20 V
0V 0 s 0.2 ms 0.4 ms 0.6 ms 0.8 ms 1.0 ms 1.2 ms 1.4 ms 1.6 ms 1.8 ms 2.0 ms V（RL:2）