top系列和高频变压器原理

TOPSWITCH图图3-1 典型的TOPSwitch单端反激式开关电源电路原理图开关电源因具有重量轻、体积小、效率高、稳压范围宽等优点，在电子电气、把握、计算机等很多领域的电子设备中得到了单片开关电源是美国PI(PowerIntegration)公司于上世纪90年月中期推出的型高频开关电源芯片，被誉为“顶级开关电沟道功率MOSPWM100kHz高频振荡器、误差放大器和故障保护功能块等全部集成在一起了。承受TOPSwitchMOSFETPWMTOPSwitch3-1第一节 TOPSwitch系列芯片工作原理一个自偏置、自保护的电流--占空比线性把握转换器。通常在控制极和源极之间，紧靠其管脚，并联一个外部旁路电容。-电源启动时，连接在漏极和源极之间的内部高压电流源向RCPWM器的同相端，与振荡器产生的锯齿波电压相比较，产生脉宽调制信号并驱动MOSFETUc5.7VMOSFET以实现稳压。当输出电压上升时，UcRE差电压亦上升。而在与锯齿波比较后，将使输出电压的占空比减小，从而使开关电源的电压减小。当把握极电压低于4.7V时，MOSFET管关闭，把握电路处于小电流等待状态，内部高压电流源重接通并向Uc/自动复位滞回比较器可使Uc保持在图3-2 TOPSwitch芯片的内部构造图4.7V~5.7V之间。图3-3图3-2 TOPSwitch芯片的内部构造图MOSFET充电周期完成为止。因此，在自动重启期间，占空比把握在５%左右可有效地限制芯片的功耗。自动重启动电路始终工作到Uc进入受控状态为止。其次节 TOPSwitch产品分类及性能特点产品分类TOP100Y～TOP104Y，TOP200系列〔TOP200Y～TOP202YTOP214YTOP209210系列，TOP221～TOP227TOPSwitch－Ⅱ与第一代产品相比，它不仅在性能上进一步改进，而且输出功率得到显著进步，现已成为国际上开发中、小功率开关电源及电源模块的优3-1。性能特点PWM电路、高压启动电路和环路补偿电路，通过高频变压器使输出端与电网完全隔离，真正实现了无工频变压器、隔离式开关电源的单片集成化，使用平安牢靠。⑵输入沟通电压和频率的范围极宽。作固定电压输入时可选±15％；在宽电压范围输入85V～265VPOM40％。TO－220Y〕固定输入 宽范围输入DIP－8P〕/SMD－8G〕固定输入 宽范围输产品型号〔100/115/230V 〔85V～,AC,±15％〕 265V,AC〕产品型号 〔100/115/230入〔85V～V,AC,±15％265V,AC〕TOP221Y12 7TOP221P/221G 9 6TOP222Y25 15TOP222P/222G 15 10TOP223Y50 30TOP223P/223G 25 15TOP224Y75 45TOP224P/224G 30 20TOP225Y100 60TOP226Y125 75TOP227Y150 903-1TOPSwitch-Ⅱ的产品分类及最大输出功率，单位：W3器相媲美，能以最简方式构成无工频变压器的反激式一般型或精100kHz1.7％～67％。图3-4 TOPSwitch的管脚排列〔a〕TO-220封装〔b〕DIP-8SMD-8封装80％左右。TOPSwitch的管脚排列如图3-4所示。它有三种封装形式。其中，3DIP－8SMD－88脚，但均可简化成33CS，漏D。把握端〔CONTROL〕有4个作用：D；为芯片供给正常工作所需的偏流；对把握回路进展补偿。漏极脚〔DRAINMOSFET源极脚〔SOURCETO-220MOSFET源极连线，接直流高压和主变压器原边电路的公共端与参考点；6引出脚接地。TOPSwitch-ⅡIC比D，到达稳压的目的。举例说明，当输出电压Uo↑时，经过光Ic↑→D↓→Uo↓，Uo第三节TOPSwitchTOPSwitch85～265V〕时，最大110V/115V/230V〕时，150W和显示器、音响放大器等。②AC/DC90%3IC合了把握系统、驱动电路、功率MOSFET、脉宽调制、高压启动电在低本钱上具有竞争力。③TOPSwitchTO-2208脚DIP6TOPSwitch8脚DIP特别有利于微小型电器设备的电源安装设计。TOPSwitch，却集成了100KHz/考基准、恒频的PWM、受控导通的栅极驱动器、前沿消隐和自动保护功能。N间。受控导通削减了开关电压的变化速率，它同连接散热片的源极一起，明显削减了电磁干扰和系统噪声，使滤波器本钱降到最低。过压切断、欠压锁定、过热关闭、短路保护等。⑦TOPSwitch制作高性能的小型电源。它的集成化程度高，电路设计简化，比PCB可用于离线反响式、正向鼓舞式和升压式功率因数校正等电源。TOPSwitch器件是一种具有自身偏置和保护功能的变换器，它用线性把握电流来转变占空比，能断开漏极输出端。它利用CMOSCMOS个外部功率电阻器。它们原设计用于电流采样或供给初始启动电流。如图3-5所示，在正常工作期间，内部输出级MOSFET的占空比，是随着把握脚电流的增大而线性地减小。为了执行全部必要的把握、偏置和保护功能，漏极脚和把握脚分别完成下面所述3-21VcVc脚之间的电源或者偏置电压。一只外部旁路电容紧接在把握脚与源极脚之间，以供给所需的栅极驱动电流。接到该脚的总点容量CTVc种工作状态之一形式。滞后调整用于初始启动和过载工作。分流在启动期间，把握脚电流由高压开关电流源供给，该开关在ICCT进展充电。Vc5.7V3-3Vc电源电流。分流调整器可维持Vc在典型值〔5.7VPWM号采样电阻器RE上的所需直流电源电流。当用于初级反响接法自动再启动IB自动再启动IBDMAX占空斜率=脉宽调制器的增益比/%最小占空比ICD12.06.0Ic/mA把握脚电流3-5占空比与把握脚电流的关系曲线3-3正常工作时和自动再启动时的两种不同波形。状态。而高压电流源那么被接通，并向外部电容再次充电。在图3-3〔b〕中，通过接通和关断高压电流源，滞后的自动再启动比Vc4.7～5.7VMOSFET比减小到典型的5%TOPSwitch个温度补偿的带隙参考得出。该参考基准也用于一个温度补偿的MOSFET驱动电流。3、振荡器内部振荡器对内部电容器线性地进展充电和放电，它在两个电压电平之间产生锯齿波形，并送往脉冲宽度调制器。该振荡器在每个周期开头时，置位脉冲宽度调制器和电流限小，并使效率最高。微调电流基准可改进振荡频率精度。4驱动输出级MOSFET，其占空比与流入把握脚的电流成反比例。该脚在RERE两端的误差信号由一个典7KHzRC该滤波误差信号与内部振荡器锯齿波相比较，产生确定占空比的MOSFET占空比是由内部振荡器的对称性能来调整。调制器导通时间到在占空比开头变化之前，必需使注入把握脚的电流为最小值。5可微调整以改进精度。6个误差放大器的功能。该分流调整器的电压，是由温度补偿的带隙参考基准电压精准地加以供给的。误差放大器的增益，那么由Vc电平上。超过电源电流的把握脚电流，那么由分流调整器加以别RE。7、逐个周期式电流限制逐个周期式峰值漏极电流限制电较。高的漏极电流使VDS超过门限电压，并使输出级的MOSFET止，直到下一个时钟周期开头之前。电流限制比较器的门限电压MOSFETRDS〔ON〕值，它使有效峰值电流限制的变化减到最小。MOSFET冲过早地完毕。假设维持输出可调整的条件，那么关闭与自动再启动电路，是在占空比为5%典型值时使电源导通和截止。当丧失调整才能时，将Vc调整再次变为分流状态，那么电源的正常工作又重开头。9结点温度超过热关闭温度时〔典型值为135℃MOSFET来进展，或者瞬间进入把握脚的、低于加电的复位门限电压，可TOPSwitch源被关闭时，Vc那么被调整在滞后状态，并且在把握脚消灭一个4.7～5.7〔典型值〕的锯齿波电压。TOPSwitch偏置，并在启动或者滞后工作期间对把握脚外部电容CT进展充电。滞后工作出如今自动再启动和过热封锁关闭期间。该电流源35%的有效占空比被开通和切断。这一占空比是由把握ICD1+ICD2〕之比值来确定的。当输MOSFET第四节单片开关电源的典型应用TOP202Y7.5V，15W7.5V，15W3-6SV=±0.5％,负载调整率SI=±1％，电源效率达80％，输出纹波电压的最大值为±50mV。该电源承受带稳压管〔VDZ2〕的光耦反响工作方式。电路中共使用两片集成电路，IC1TOP202Y片开关电源，IC2NEC2501－HFU3A/250V保险管。C6与L2构成沟通输入端的电磁干扰〔EMI〕滤绕组中产生的共模干扰。C7C8级绕组之间耦合电容所产生的共模干扰。宽范围电压输入时，UiVDZ1VD1TVS150V，1ns，5W。VD1UF4005型1A/600V的超快恢复二极管〔FRDtrr=30ns。电压。R2和VDZ2与输出端并联，构成开关电源的假负载，可进步空载或轻载时的负载调整率，反响绕组电压经过VD3整流、C4滤波后，得到反响电压，再经过光敏三极管给TOP202Y供给一个可选肖特基二极管。光耦合器 IC2和稳压管VDZ2还构成了TOP202Y的外部误差放大器，能进步稳压性能。当输出电压UO发生变化时由于VDZ2具有稳压作用就使光耦中LED的工作电流出占空比，使UO保持稳定，这就是其稳压原理。R1为LED的限流电阻，并能打算把握环路的增益C5是把握端旁路电容，除对环路进展补偿之外，还打算着自动重启动频率。高频变压器选用EE22型铁氧体磁芯，图3-6中的NP，NS和NB分别代表初级、次图3-6 7.5，图3-6 7.5，15W开关电源的电路TOP224Y15V，30W两处重要改进：第一，为获得30W的连续输出功率，将TOP202YTOP224Y，后者在宽范围电压输入时的最大输出功率可到达TOP224Y—TL431关式晶体管驱动器，能直接检测输出电压的变化量，并进展准确R4，R5TL431R4R5R36.2Ω～15Ω。该电源的峰值输出功率为60W。电压调整率和负载调整率均几乎可同线性稳压电源相媲美，而其电源效率可达84％，比线性稳压电源进步近一倍。图3-7 15V，30W精细开关电源电路高频变压器TOPSwitch中流淌，也可在副边绕组中流淌，但决不会在两个绕组中同时流淌TOPSwitch中高频变压器的设计方法。第一节

变压器的根本学问Φ0iii21Aau1e1e2u2Xx4-1变压器的原理简图变压器几乎在全部的电子产品中都要用到，它原理简洁但依据不同的使用场合〔不同的用途〕变压器的绕制工艺会有所不同的要求。变压器的功能主要有：电压变换；阻抗变换；隔离；稳EC型铁心。一、变压器的根本原理U1I1Ф0，它沿着铁心穿过初级线圈和次级线圈形成闭合的磁路。在次级线U2，同时Ф0E1，E1U1I1Ф0能消耗，并且变压器本身也有确定的损耗，尽管此时次级没接负载，初级线圈中仍有确定的电流，这个电流我们称为“空载电流〞。假设次级接上负载，次级线圈就产生电流I2，并因此而产Ф2，Ф2Ф0E1I1I1，Ф0也增加，并且Ф0增加局部正好补充了被Ф2的功率。只有磁的耦合，次级绕组上的电压是通过电磁感应而产生的。强的。在铁磁物质内部，原子与原子之间存在着相互作用，这种作用使假设干个原子的磁场具有一样的方向，由它们组成小磁体，成为磁畴。铁磁物质就是由很多这种磁畴组成的，但磁畴的方向当把铁磁材料放在外磁场中，磁畴在外磁场的作用下，原来方向这种现象叫磁化。磁的磁路称为沟通励磁。I芯中产生交变的磁通Ф，e，该电势与绕组匝数N及磁通变化率成正比，即：eN

dN

〔4-1〕dt t一般称此式为电磁感应定律。假设Ф按正弦规律变化，m

sint 〔4-2〕那么感应电动势是与Ф同频率的正弦量但相位滞后п/4，即T/4。由于磁路有饱和现象，所以磁通一般用最大值表示〔用有效值表示没有实际意义记作Фm它由零变到最大〔即 〕mT/4，即tT/4，T E m

〔4-3〕0 1 1 m4T 4f式中参数单位：Eo〔V〕，Фm〔Wb〕，f〔Hz〕。EmEo为E 1.57E 〔4-4〕m 0E0.707Em

〔4-5〕所以 E0.7071.574fm

4.44fm

〔4-6〕Bmm

BS，当m cNm

BSm c

，取BmScE4.44NfBSm c

〔4-7〕fNBmSc当绕组导线电阻压降及漏磁通感应电势可以无视不计，并且E大小根本想等UE，那么U4.44fNBSm c

〔4-8〕当电源频率、绕组匝数及铁芯截面积确定时，磁通密度的最大值BmUBmB U 〔4-9〕m 4.44fNSc此式可用于推断磁芯是否饱和。从上述推导过程可以看出，根本公式E4.44NfBS 是在m c磁通Ф为正弦量的状况下得出的，当不是正弦量时，这个公式是不适用的，必需重推导或作波形变换。例如Ф为方形波〔即Ui4-2，由于方形波的平均值〔半周期〕、有效值与最大值均相等，由式〔4-3〕可以直接得出：E4fNm4-7〕同理，可得E4fNBSm c

〔4-10〕4-7较，这里的系数是4，而不是4.44。ФФ+Фm0-ФmT/24-2Ф为方形波时的状况二、变压器的损耗BBmBzabc-Hc0fHcHsHBBmBzabc-Hc0fHcHsHed-Bz图4-3 B-H磁滞曲线下面分别争论磁滞损耗与涡流损耗。铁磁质的磁化到达，BBab4-3H=0时，磁感应强度并不完全消逝，磁介质中保存着剩余的磁感应强→-Hc，-Hc→-Hs，-Hs→0，0→Hc，Hc→Hs；相应的磁感应强度HB4-3H4-3abcdefaB-H磁场撤去后，铁磁体中保存剩余磁感应强度Bz，这时，要使磁感应强度减为零需要加上反向磁化场，其磁场强度的量值Hc称为矫顽力。各种铁磁质有不同的磁滞回线，主要区分在于矫顽力的大小，矫顽力小的材料如软铁、硅钢及其他用作变压器芯子的合金，称为软磁物质；矫顽力大的材料如碳钢、钨钢、钴钢等称为硬磁物质。硬磁性的材料一经在外磁场中磁化以后，常保存相当强的剩磁而不轻易失去，所以可用来制作永磁铁。试验证明，铁磁质反复磁化时将要发热，硬磁物质较软磁物质更为显著。铁磁质在反复磁化时，铁磁质内分子的情态将不断地转变，因此分子的振动加剧，温度增高。使分子振动加剧的能量是由产生磁化场的电流所供给的。这种耗散为热量的能量损失B-H回线所包围的面积成正比，而磁滞损失的功率与反复磁化的频率成正比。对一具有铁芯的线圈来说，所通的交变电流频率越高，以及铁磁质磁滞回线的面积越大时，磁滞损失的功率也越大。合，所以称为涡电流。正比。发电机和变压器的铁芯中，就有这种能量损失，称为涡流损耗。这样，电能就将无益地消耗掉，而机件本身也简洁患病到损坏，为了削减这种损失，我们把铁芯做成层状，用薄层的绝缘材料把各层隔开，以减小涡电流。一般变压器中，用由硅钢片制成的叠片式铁芯，就是这个道理。更有效的是用粉末状的铁芯，各粉末间相互绝缘。在高频变压器中，常承受粉末状铁芯。铜耗：由于变压器初、次级绕组导线都有电阻，当时、次级电流流过这些电阻时，所产生的损耗称为铜耗。它是电阻上的功是受次级负载电流打算的，所以变压器的铜损主要与负载电流的大小有关。变压器输入功率与输出功率之差，就是变压器的功率损耗，主要是铁损和铜损。输出功率与输入功率之比的百分数称为变压η通常是容量越大，损耗与输出功率相比就越小，从而效率越高。其次节 一、高频电源变压器的特点：频率来说，10～20KHz源的变换器中，这种变压器与中频和工频变压器相比有以下几个特点：〔10.1mm可以制成各种外形，例如收音机中的磁棒，制作脉冲变压器的罐E材料的主要特点是它的电阻率很高，一般为102～109cm左右，而硅钢片为104cm于减小磁芯损耗，尤其涡流损失很小，它可以压制成整块，而不用叠片方式。另外铁氧体磁性材料的初始磁导率也比硅钢片大变压器中被广泛承受。1/3～1/4，但由于工作频率较高，变压器体积仍可以显著下降，由于EKfNSBc m

，虽然Bm

小一些，但当f50Hz20KHz，获得同样电势E时，磁芯截面Sc及匝数仍可明显减小。120℃左右。这在设计时要特别留意。长期连续使用60℃。加以保护。常用的铁氧体磁性材料是锰锌铁氧体，型号为MXO-1000，MXO-2023MXD-2023导线内中心局部的电流密度减小，主要集中在导线的边面，减小了导线的有效截面，因此引起发热。这时要适当加大导线截面。较好的方法是用多股高频铜导线或薄铜箔绕制。这在选择磁芯窗口时要格外慎重。〔370℃，否那么铁氧体的电磁性能将急剧下降。绕组匝数较少，可能鼓舞电流过大。要求初级电感量足够大，以减小励磁电流。重要的，而且绕制工艺也有它的特别性。二、进展构造设计前应知道的参数：进展构造设计之前，变压器的电气参数是必需知道的。例如必要时还要给出效率η，功率因数cos，电源频率f，相数，市±10%计算，或按-15%～+10源变压器的要求是不同的。稳压输出型等亦应明确。对变压器进展温度校核计算，以保证不超过变压器允许的极限温度。依据我国大局部地区的实际状况，一般取环境温度下限为有时还要考虑相对湿度、气压、防振、防霉、防盐雾等要求。从抗干扰考虑，还应知道是否需要加静电屏蔽等措施。要求也应留意。三、变压器设计的理论依据ScSoPB的关系是设计变压器构造参数的重要依据。铁芯截面积〔实际尺寸〕S abCb——铁芯中心柱厚度铁芯有效截面积 S” kC C

abkSC Ckc——kc=0.9～0.95窗口面积 SO

ch铁芯窗口宽度从线包放入铁芯中根本占满窗口角度而言，并假设初、次级IN2IN，这时2INS

〔4-11〕O k jO式中：j——2～3A/mm2，中圆形导线之间有空隙、层间与绕组间垫有绝缘材料，