单片开关电源的快速设计法

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值Uimin=85V，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）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％，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

    PO=PO′/K        （2）

    （3）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。

    下面通过一个典型的实例来说明修正方法。

    例4：设计12V，35W的通用开关电源

    已知Uimin=85V，假定Uimin′=90％×115V=103.5V。从图5中查出K=1.15。将PO′=35W、K=1.15一并代入式（2）中，计算出PO=30.4W。再根据PO值，从图2上查出选择应是TOP224型芯片，此时η=81.6％，PD=2W。

    若选TOP223，则η降至73.5％,PD增加到5W，显然不合适。倘若选TOP225型，就会造成资源浪费，因为它比TOP224的价格要高一些，且适合输出40W～60W的更大功率。

3．2 相关参数的修正及选择

    （1）修正初级电感量

    在使用TOPSwitch－II系列设计开关电源时，高频变压器以及相关元件参数的典型情况见表1，这些数值可做为初选值。当Uimin′<Uimin时，由于电源效率和功率损耗均发生了变化，因此还需要对初级电感量LP进行修正。有公式

    LP′=KLP           （3）

表1 高频变压器及其相关元件参数的典型值

参            数                             TOP221 TOP222 TOP223 TOP224 TOP225 TOP226 TOP227
高频变压器初级电感LP（μH）                   8650  4400   2200    1475   1100   880   15
高频变压器初级泄漏电感 LPO（μH）             175    90     45      30      22    18   15
次级开路时高频变压的谐振频率fo（kHz）         400   450    500       550   600   650   700
初级级圈电阻RP（mΩ）                         5000  1800   650      350    250    175  140
次级级圈电阻Rs（mΩ）                         20   12      7         5     4       3.5   3
输出滤波电感的直流电阻RL1（mΩ）              40   32       25      20     16      13    10
共模扼流圈的直流电阻RL2(mΩ)                  400  370     333       300    267    233   200

    查表1可知，使用TOP224时，LP=1475μH。当K=1.15时，LP′=1.15×1475=1696μH。

表2 光耦合器参数随Uimin′的变化

交流输入电压Uimin(V)                        85         195 
LED的工作电流IF（mA）                           3.5        5.0
光敏三极管的发射极电流IE（mA)                   3.5       5.0

    （2）对其他参数的影响

    当Uimin的规定值发生变化时，TOPSwitch－II的占空比亦随之改变，进而影响光耦合器中的LED工作电流IF、光敏三极管发射极电流IE也产生变化。此时应根据表2对IF、IE进行重新调整。

    TOPSwitch－II独立于Ui、PO的电源参数值，见表3。这些参数一般不受Uimin变化的影响。

表3独立于Ui、PO的电源参数值

独立参数 典型值 
开关频率f(kHz)                                           100 
输入保护电路的箝位电压UB(V)                               200 
输出级肖特基整流二极管的正向压降UF(V)                     0.4 
初始偏置电压UFB(V)                                        16 

    （3）输入滤波电容的选择

    输入滤波电容器C1的容量与电源效率、输出功率密切相关。对于宽范围输入的开关电源，C1的容量取μF作单位时，可按比例系数3μF/W，例如，当PO=30W时，C1=（3μF/W）×30W=90μF，以此类推。在固定输入时，比例系数变成1μF/W，上例中的C1就变在30μF。在设计开关电源时还需注意C1的容量误差要尽量小，以免影响开关电源的性能。当C1的容量太小时，会降低TOPSwitch－II的可用功率。上例中，若将宽范围输入时的C1容量由30μF改成20μF，则输出功率会降低15％；当C1<20μF时，会造成可用功率更显著地下降。

    此外，C1的容量大小还决定着直流高压UI的数值。图1与图2实际上是在UI=105V情况下绘制的，而图3和图4是在UI=256V情况下获得的。这充分体现了C1对U1的影响。