Power Integration 电源管理便携式设备电源管理应用高频单片开关芯片设计多组开关稳压电源 2012-02-08 13:59:57

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应用高频单片开关芯片(TOP222Y)设计多组开关稳压电源

应用高频单片开关芯片设计多组开关稳压电源

鲁思慧

1、 性能优异为便携式设备选择拓宽了新途径

多年来，为设计多组开关稳压电源选择性能价格比较高的电源控制芯片，一直是制造业心想事成的问题，这是因为电源控制芯片不是引脚多调试繁多，就是引脚少了功能不理想。

而TOPSwitchlI单片开关电源是美国PI(Power Integration)公司较新推出的高频开关电源芯片，它能将开关电源所必需的具有高压N沟道功率MOS场效应管、电压型PWM控制器、100kHz高频振荡器、高压启动偏置电路、基准电压、用于环路补偿的并联偏置调整器、误差放大器和故障保护功能块等全部集成在一起，是属引脚少(仅为3线)功能强向的高频开关电源芯片。

它可广泛用于仪器仪表、笔记本电脑、VCD和DVD、电池充电器、功率放大器等领域，用它构成的开关电源具有重量轻、体积小、效率高、稳压范围宽等优点，在电子电气、控制、计算机等许多领域的电子设备中得到了广泛的使用。为此本文将介绍应用TOP222Y高频单片开关电源控制芯片为核心的多组开关稳压电源设计方案。

2、多组(5组)开关电源设计方案

2.1以TOP222Y高频单片开关电源控制芯片为核心的电源组成图，见图1所示。TOP222Y为DC/DC变换器，其芯片引脚3、2、1分别与高频变压器输入及初级、输出次级及地、输出反馈等相连接。

2.2电源电路拓扑为单端反激式

该电源电路拓扑为单端反激式，反激式则是指当功率开关管MOSFET导通时，就将电能储存在高频变压器的初级线圈上；当MOSFET关断时，向次级输出电能。由于开关频率高达100KHz，使得高频变压器能够快速储存、释放能量，经高频整流滤波后即可获得连续输出。

2.3电源单级滤波器作用

220V交流进线端接入电磁滤波器(EMl)，为了减少体积和降低成本，单片开关电源一般采用简易式单级滤波器。L1用来滤除共模干扰，C1、C2用来滤除串模干扰。电源滤波器的作用：一方面是滤除由电网传来的杂波电压，净化输入电源，另一方面也阻止高频开关电源的振荡电压窜入电网干扰其它电器。

2.4整流与DC/DC变换器

市电经整流和电容滤波后，变成308V的直流电压供给TOP222Y器件，TOP222Y构成DC/DC变换器，它将输入的直流高压变成脉宽可调的高频脉冲电压，经高频变压器降压后再进行半波整流和滤波，变成所需要的直流电压输出。

2.5瞬态电压抑制电路

阻塞二极管D6与瞬态电压抑制器D5组成吸收电路，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，当TOP222Y功率管导通时初极变压器的电压极性为上端为正，下端为负，使D6截止，钳位电路不起作用。在MOSFET截止的瞬间，初极变压器变成下端为正，上端为负，此时D6导通，尖峰电压就被D5吸收掉。

2.6关于高频变压器与反馈稳压电路

高频变压器的次级有5个绕组，其中的13.2V/300mA绕组V1为主绕组控制TOP222Y器件的脉宽，即这一组输出电压为PWM稳压，由并联可编程稳压器TL431和光电耦合器PC817及分压电阻R4、R5完成取样反馈工作。当输出们电压升高时经R4、R5分压后得到取样电压与TL431中的带隙基准电压进行比较，使TL431阴极电位下降，使流过光电二极管工作电流If增大，再通过光耦PC817使控制端电流Ic增大，TOP222Y的输出占空比减小，使们电压下降。达到稳压的目的。

电阻R3为V1输出的最小负载，用于提高轻载时的电压调整率。当输出电压偏低时， R3的作用是给431提供电流偏执通路。为避免刚接通电源时输出电压产生过冲现象，TL431的阴极与阳极之间并联一只软启动电容C12。其作用分析如下：刚上电时由于C12两端的压降不能突变，使得VKA=O，TL431不工作。随着整流滤波器的输出电压逐渐升高，光耦二极管(LED)上的电流就通过R2对C12充电，使C12上的电压不断升高，TL431逐渐转入正常工作状态。输出电压在延迟时间内缓慢上升，最终达到13.2V稳定值。

2.7取样与反馈电阻的确定

如何确定R2、R3、R4及R5的值。首先要搞清TOP管的控制特性。从TOPSwicth的技术手册可知流入控制脚C的电流Ic与占空比D成反比关系，如图2所示。可以看出Ic的电流应在2-6mA之间，PWM会线性变化，因此PC817三极管的电流Ice也应在这个范围变化。而Ice是受二极管电流If控制的，R1的取值要保证TOP控制端取得所需要的电流，假设用PC817，其CTR=Ic/IF=0.8-1.6，从TL437的技术参数知，Vka在2.5V-36V变化时，阴极工作电流IKA可以在从1mA到100mA以内很大范围里变化。当光偶CTR取低限0.8时，此进流过光二极管的最大电流，IFMAX-=6/0.8=7.5mA，TL431阴极电压VkA=Vo-VF-( IFMAX×R2)>2.5V，其中VF为光偶二极管的正向压降。VF典型值为1.2V。

VkA=13.2-1.2-7.5×R2>2.5V

R2<1.3k(取R2=250Ω)

431要求至少有1mA的工作电流，也就是R2的电流接近于零时，也要保证431有1mA，所以R3<=1.2V/1mA=1.2K(取R3=510Ω即可)。

R5的取值，R5的值不是任意取的，要考虑两个因素：

* 431参考输入端的电流，一般此电流为2µA左右，为了避免此端电流影响分压比和避免噪音的影响，一般取流过电阻R5的电流为参考段电流的100倍以上，所以此电阻要小于

2.5V/200µA=12.5K．

*待机功耗的要求，如有此要求，在满足R5≤12.5KΩ的情况下尽量取大值。取R5=10KΩ。

确定了上面几个关系后，那R4电阻的值就好确定了。根据TL431的性能，R4、R5、Vo、Vr有固定的关系：Vo=(1+R4/R5)Vr(Vr=2.5V)由此可算出R4=43.kΩ。

3、开关电源电路主要参数的设计

值此仅对各组输出功率之和、输出直流电压、最大占空比、初级电流有效值及峰值、初级绕组电感值旧及初次极绕组匝数等主要参数的计算作介绍。

3.1本电源总输出功率为各组输出功率之和：

PO=13.2×0.3+13.2×0.2+28×0.05+2×13.2×0.1+12×0.006=10.71W(反馈绕组功率为12×0.006)