基于TOP227Y芯片的新型开关电源的设计

O 引言

     TOPSwitch单片开关电源芯片是美国PI公司于上世纪90年代中期推出的新型高频开关电源芯片，它是三端离线式PWM开关（Three Terminal 0ffLine PWM Switch）的缩写，被誉为“顶级开关电源”。其特点是将高频开关电源中的PWM控制器和 M0SFET功率开关管集成在同一芯片上，是一种二合—器件。其第一代产品是1994年推出的TOPl00／200系列；第二代产品是1997年推出的 TOPSwitch—II系列。这些产品一经问世，便显示出了强大的生命力，被广泛应用于仪表、显示器、开关电源、VCD／DVD、手机充电器等各种领域，形成了一种高效、低成本、新型的开关电源模式。同时因为其简易的设计方法，使得TOOPSwitch芯片在应用中更显得得心应手。应用该芯片设计的开关电源，具有效率高、体积小以及外围电路简单等优点。可以预见，应用TOPSwitch系列芯片所设计的单片开关电源必将在更广泛的领域得到应用。 

1 TOP227Y芯片性能特点及其内部框图
1．1 TOP227Y芯片性能特点
    TOP227Y属于TOP系列的第二代产品，其功率开关管耐压值高达700V，具有以下显著特点。
    1）将脉宽调制控制系统的全部功能集成到三端芯片中，内含脉宽调制器、功率开关场效应管、自动偏置电路、保护电路、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、反激式开关电源的单片集成化。
    2）属于漏极开路输出并利用电源来线性调节占空比实现AC／DC变换，电流控制型开关电源。
    3）输入交流电压和频率的范围很宽。
    4）只有3个引出端。能以最简单方式构成无工频变压器的反激式开关电源，其控制端属于多功能引出端，可完成多种控制、偏置及保护功能，具有连续和不连续两种工作模式，反馈电路有4种基本类型，能构成各种普通型和精密型开关电源。
    5）开关频率的典型值为100kHz，允许范围是90～110kHz，占空比调节范围是1．7％～67％。
    6）外围电路简单，仅须接整流滤波器、高频变压器、漏极嵌位保护电路、反馈电路和输出电路。
    7）因芯片本身功耗很低，电源效率高，可达80％左右，最高可达90％。
    8）若将它配以低压差线性集成稳压器，则可构成一种新型复合式开关电源，既保留了开关电源体积小、效率高的优点，又具有线性稳压电源稳定性好、纹波电压低等优良特性。
    9）采用这种芯片能降低开关电源所产生的电磁干扰。
    10）其工作温度范围是0～70℃，芯片最高结温Tom=135℃。
1.2 TOP227Y内部框图
    TOP227Y的内部框图如图1所示，主要包括控制电压源、带隙参考基准电压源、振荡器、并联调整器／误差放大器、门驱动级和输出级、脉宽凋制器、过流保护电路、关断／自动重启动电路、上电复位电路、过热保护电路等。
    TOP227Y的基本工作原理是利用反馈电路的Ic来调节占空比，D,从而达到稳压的目的。例如，当输出电压Vo↓时，经过光耦反馈电路使得Ic→D→Vo↑，最终使Vo保持不变，具体工作原理请参阅参考文献。 

2 设计实例
    根据技术要求，设计了一个输入为AC 220 V，输出为DC 5 V，20A的大功率开关电源。该开关电源的基本电路结构框图如图2所示。 

    由于TOPSwitch集成度高，设计工作主要是外围电路的设计。外围电路由输人整流滤波电路、箝位保护电路、变压器、输出整流滤波电路及反馈电路5部分组成。电路原理图如图3所示。 

2．1 输入整流滤波电路设计
    整流滤波电路包括输入交流滤波、整流和电容稳压3部分。交流滤波采用II型滤波电路，具体参数如下：去除共模干扰的Co、C1、C1为10nF；去除差模干扰的G2、G3，为1μF；10mH，采取双线并绕。整流电路选择不可控的整流桥。在当前供电条件下，电容G4的电容值可根据输出功率，每W对应l μF。假设整流桥中二极管导通时间为tc=3ms，可得电容的最小耐压值（最小直流输入电压）为 

    
式中：VACmin最小交流电网电压；
    Po为输出总功率；
    η为系统的效率，可选择80％；
    f为交流电网频率。
2．2 箝位保护电路设计
    每个开关周期内，TOPSwitch的关断将导致变压器漏感产生尖峰电压。VR1和VD1构成的箝位电路防止了此电压对TOPSwitch的损坏，VR1和Vo1的选择由反射电压VOR决定。VOR一般选择为135 V，VR1嵌位电压VCLD可由经验公式VCLO=1．5VOR得出，VD1的耐压值应大于最大直流输入电压Vmas并选择快恢复二极管。
2．3 变压器设计
    1）磁芯类型
    为满足TOP227Y芯片100 kHz的工作频率，宜选用锰锌铁氧体磁芯，本设计选择EE一42型铁氧体磁芯。 
    2）最大占空比Dmax

式中：VOR为次级反射到初级的反射电压，可选135 V：
    VDS为TOP227Y的通态电压，一般可选10Y。
    3）变压器初级自感Lp

式中：fs为TOP227Y的开关频率，选择100 kHz
    4）导线线径
    在100kHz开关频率下，铜芯导线的穿透深度是O．20～O．22mm，圆形铜芯导线的直径则是两倍的穿透深度O．40～0 44mm，再增加聚酯绝缘外层厚度O．06mm，则导线测量绝缘外径为O．46～O．50mm，这里我们选用导线线径为O．5mm。
    5）每匝电压值
    工作在反激状态下，绕组输出电压与每匝电压值成正比，确定各绕组匝数N前须确定每匝电压值。
    6）变压器初、次级匝数
    变压器匝数可以从选择次级绕组匝数开始。对于输入电压为交流220V的电路，次级选择O．6T／V即可满足要求。根据变比再确定初级绕组的匝数。
2．4 输出整流滤波电路设计
    输出整流滤波电路由整流二极管和滤波电容构成。输出整流二极管的开关损耗占系统损耗的1／6～l／5，是影响开关电源效率的主要因素，它包括正向导通损耗和反向恢复损耗。由于肖特基二极管导通时正向压降较低，因此，其正向导通损耗低。此外，肖特基二极管反向恢复时间短，在降低反向恢复损耗以及消除输出电压中的纹波方面有明显的优势，故选用肖特基二极管作为整流二极管。参照最大反向峰值电压选取肖特基二极管。次级绕组的最大反向峰值电压为 

式中：VSM为次级绕组输出的最大反向峰值电压；
    VS为次级绕组输出电压；
    Np为初级绕组匝数； 

    Ns为次级绕组匝数；
    VAcmax为变压器初级输入电压最大值。
2.5 反馈电路设计
    反馈电路依据输出电压精度确定，本电源使用线性光耦+TL43l方案，可以把输出电压精度控制在±1％。电压反馈信号经分压网络引入TL431的 Ret端，转化为电流反馈信号，经过光耦隔离后输入TOP227Y的控制端。光耦工作在线性状态，起隔离作用。如果所选光耦的电流放大率上限超过 200％，容易造成TOP227Y过压保护动作，相反，若电流放大率下限小于40％，占空比，D将不能随反馈电流的增大而减小，从而导致过流。因此，应选择电流放大率范围接近100％的光耦。本疗案选择Siemens
的CNY17—2（电流放大率为63％～125％）。

3 电源性能测试及结果分析
    根据以上设计，对采用TOP227Y的输出电压为5 V，电流为20 A的开关电源的性能进行了测试。实测结果表明，该开关电源工作在满载状态时，最大占空比为0．42，电源的效率为84％，纹波电压控制、电压调节精度及电源工作效率都超过了以往采用控制电路与功率开关管相分立的拓扑结构形式的开关电源。

4 结语
    由于TOP227Y芯片内部集成有PWM控制器、功率开关MOSFET以及多种保护电路，所以，采用该芯片设计出的开关电源具有体积小、重量轻、成本低、外围电路简单、效率及可靠性高等特点，因而在电子设备中具有广泛的应用前景。本文所设计的开关电源已应用于某电路中，通过运行观察，该开关电源的性能良好，取得了很好的应用效果。