单片开关电源的快速设计法

1、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ycorewhichhasbeenpopularsince1990.Thispaperintroducesquickdesignforsi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

2、 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TOPSwitchII 系列单片开关电源的功率损耗（PD）与电源效率（ ）、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/(Uimin=85V)中图法分类号：TN86文献标识码：A文章编码：PO/W图 1 宽范围输入且输出为 5V 时 PD与 ，PO的关系曲线图 2 宽范围输入且输出为 12V 时 PD与 ，PO的关系曲线

3、图 3 固定输入且输出为 5V 时 PD 与 ，PO的关系曲线供了依据。1TOPSwitchII 的 PD与 、PO关系曲线TOPSwitchII 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=85V265V，230V± 15。11 宽范围输入时 PD与 ，PO的关系曲线TOP221TOP227 系列单片开关电源在宽范围输入（85V265V）的条件下，当 UO=5V 或者 12V 时，PD与 、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/(Uimin=85V)/(Ui

4、min=195V)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 。所画出的 7 条实线分别对应于 TOP221TOP227的电源效率，而 15 条虚线均为芯片功耗的等值线（下同） 。单片开关电源的快速设计法:12 固定输入时 PD与 、PO的关系曲线TOP221TOP227系列在固定交流输入（ 230V± 15）条件下，当 UO= 5V 或 12V 时， PD与 、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 TOPSwit

5、chII 芯片的方法利用上述关系曲线迅速确定 TOPSwitchII 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=85V265V，UO=5V时，应选择图 1。而当 Ui=220V(即 230V230V×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

6、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85V265V。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 =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 =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

7、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。图 4 固定输入且输出为 12V 时 PD与 ，PO的关系曲线/(Uimin=195V)图 5 宽范围输入时 K 与 Uimin的关系图 6 固定输入时 K 与 Uimin的关系根据已知条件，从图 4 中可以查出，TOP223是最佳选择，此时 PO=30W， =85.2， PD=0.8W。例 3：计算 TOPswitchII 的结温这里讲的结温是指管芯温度T

8、j。假定已知从结到器件表面的热阻为R A(它包括 TOPSwitchII 管芯到外壳的热阻R1和外壳到散热片的热阻 R2)、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· RATA(1)举例说明， TOP225的设计功耗为 1.7W，RA=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31 修正方法如上所述，PD与 ，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

9、Uimin=85V，而图 3 与图 4 规定 Uimin=195V（即 230V230V×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 Umin 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

10、标出Ui 在低端的电压范围。（2）当 Uimin&gtUimin 时 K&gt1，即 PO&gtPO，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&lt85V 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&lt1 。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

11、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）最后从图 1图 4 中选取适用的关系曲线，并根据适的芯片型号以及 、PD参数值。PO 值查出合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 上查出最佳选

12、择应是 TOP224型芯片，此时 =81.6，PD=2W。若选 TOP223，则 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 40W60W 的更大功率。32 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UiminLP=KLP（3）查表1 可知，使用TOP224 时， LP=1475H。当K=1.15 时， LP=1.15 × 1475=1696。H表 2 光耦合器参数随Uim

13、in的变化最低交流输入电压Uimin(V)85195LED的工作电流 IF（mA）光敏三极管的发射极电流IE（mA）（2）对其他参数的影响当 Uimin 的规定值发生变化时， TOPSwitchII 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。TOPSwitchII 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参数 TOP221TOP222TOP223TOP224TOP225TOP226TOP227高频变压