TOPSwitch Ⅱ在稳压电源中的应用--打印文章

摘要：TOPSwitch－II器件是一种PWM/MOSFET二合一的新型集成芯片，采用它制作高频开关电源，不仅简化了电路，同时可以改善电源的电磁兼容性能，降低制作成本，本文介绍一种用TOP225Y制作的实验稳压电源。电路运用PWM技术和线性稳压技术，设计新颖，具有一定的实用价值。

　　在进行电路和单片机实验时，实验稳压电源是必需的设备之一，对这类稳压电源，功率容量并不要求很大，但要有多组输出电压，其中最好有一组输出电压能够连续可调，以适应不同场合的需要。市售的实验稳压电源种类很多，但基本上都是采用工频线性稳压方式。其优点是简单、易制造、价格低，缺点是体大笨重和效率低。采用高频开关电源是克服上述缺点的有效途径，但一般的高频开关电源电路复杂，元器件较多，制作成本也会有所提高，所以目前在实验稳压电源中采用高频开关技术的仍不多见。然而采用TOPSwitch等新型器件制作的高频开关电源，电路可以做得和工频线性稳压电源一样简单，性能很优越，效率却远高于后者，而成本也不会有明显的增加。

　　TOPSwitch器件是美国功率集成公司（POWERIntegrationsInc），于90年代中期推出的新型高频开关电源芯片。它是三端脱线式PWM开关的英文缩写（ThreeterminalofflinePWMSwitch）。它的特点是将高频开关电源中的PWM控制器和MOSFET功率开关管集成在同一芯片上，是一种二合一器件。这大大简化了电源电路，提高了可靠性，使得电源的设计更加简单快捷。TOPSwitch器件有多种封装形式，采用DIP－8和SMD－8封装的，中间4只为空脚，可以将它们接到印刷电路板的铜箔上，将芯片产生的热量直接传到印刷电路板上，不必另设散热器，节省了成本。采用TO220封装的，只有3只管脚，使用起来就和一只大功率三极管一样便利。此外由于PWM控制器和MOSFET功率开关管是在管壳内连接的，连线极短，这就消除了高频辐射现象，改善了电源的电磁兼容性能，减小了器件对电路板布局和输入总线瞬变的要求。TOPSwitch－II是TOPSwitch的改进型号，它将单电压输入时的最大功率100W提高到150W，电磁兼容性也得到增强，该器件具有更高的性能价格比。TOPSwitch－II器件包括TOP225－TOP227等几个型号，主要差别就在于输出功率的不同。TOPSwitchII器件的内部电路与性能分别见图1和表1所示。

　　该电源电路拓扑为单端反激式，电路原理见图2所示。220V市电经电源噪声滤波器LF后再通过桥式整流器直接整流。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。现在很多电源设计不重视电源滤波器的选择，一些中小功率的高频开关电源往往不加电源滤波器，这样不仅降低了电源本身的抗干扰能力，影响其工作稳定性，而且也造成对公共电网的污染。市电经整流和电容滤波后，变成308V的直流电压供给TOPSwitch－II器件，TOPSwitch－II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。R1、C1、VD1组成缓冲吸收电路，吸收功率器件在关断过程中由于变压器漏感产生的电压尖峰过冲，电路的工作频率为100kHz，振荡元件已固化在器件内部，高频变压器的次级有4个绕组，其中的5V/3A绕组N3控制TOPSwitch－II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PC及分压电阻R7、R8完成取样反馈工作。之所以选择这一绕组进行脉宽控制，是因为它的输出电压低电流大，更能体现出开关电源的优越性。为了实现对光耦的隔离供电，变压器单设了一个辅助绕组N2。±12V/0.5A绕组N4及N5采用集成三端稳压器LM7812和LM7912进行线性稳压，因输出电流不大，功耗较低，散热问题容易解决。次级中还有一个1.25V～30V/1.5A的可调绕组N6，采用了可调三端稳压器LM317进行线性稳压和调压，为了克服线性稳压在低压输出时，功耗大和效率低的缺点，此绕组设置了高、低两个抽头，抽头的变换由继电器自动切换，切换电压设在15V，由TL431取样。当要求输出电压低于15V时，TL431的参考输入端的电压低于2.5V，TL431截止，继电器K不吸合，低压绕组被接通。反之，当要求输出电压高于15V时，TL431的参考输入端的电压高于2.5V，TL431导通，继电器吸合，高压绕组被接通。电压表PV指示输出电压的数值。

从表1可以看出，在220V单一电压条件下，TOP225Y的最大输出功率为100W，能够满足本电路要求。

　　在制作单端反激式高频开关电源时，高频变压器的设计与计算是至关重要的，其工作量也是比较大的。

　　假定交流输入电压的范围是180V～260V，整流器压降和输出电压纹波为22V，最大占空比为Dmax=0.5，则

选择南京CONDA公司的PQ32/30磁芯、LP3材料、AL=1.61、磁通密度B=0.39T，变压器工作在单端状态，最大工作磁通
Bmax=B/2=0.39/2=0.19T

Lg=0.4×π×Lp×Ip2/(AL×B2max)
　=0.4×3.14×0.73×10－3×1.572/(1.61×0.192)
　=0.04cm

N1=Lp×Ip×104/(AL×Bmax)
　=0.73×10－3×1.57×104/1.61×0.19
　=38匝（取整）

N3=N1（UO＋UD）（1－Dmax）/(Uimin×Dmax)
　=38×(8＋1)(1－0.5)/(230×0.5)
　=1匝（取整）

N4=N5=N1（UO＋UD）（1－Dmax）/(Uimin×Dmax)
=38×(15＋1)×(1－0.5)/(230×0.5)
=3匝（取整）

N6=N1（UO＋UD）（1－Dmax）/(Uimin×Dmax)
=38×(33＋1)(1－0.5)/(230×0.5)
=6匝（取整）
在3匝处抽头

　　上述计算匝数各公式中的UO为输出电压（取额定输出电压＋稳压器压降3V），UD为快恢复二极管压降，取1V。

绕组	所用线径
N1	0.71mm
N2	0.42mm
N4	0.42mm
N5	0.42mm
N3	0.99mm
N6	0.72mm

　　5V绕组的输出滤波电感线圈L1选4cm磁环，用1.0mm漆包线穿绕15匝。

　　高、低压切换继电器用JZC22F，DC12V/10A，电压表的型号为85C1、表盘刻度0～30V。

　　高频变压器的计算过程是很繁琐的，要考虑大量相互关联的设计变量，费力耗时。为减轻设计者负担，美国功率集成公司特为TOPSwitch器件设计了一套EXCEL电子表格，可以在PC机上运行。应用电子表格设计电源，简单快捷，一般只要10分钟左右即可完成。中国电源学会1999年第13届年会上，曾有一篇论文，专门介绍了EXCEL电子表格，读者可参阅该文，这里不再赘述。

刘喜甫，1948年生，高级工程师，毕业于长春邮电学院自动化专业，长期从事电源与通信电路的设计与开发工作，发表学术论文30余篇。

刘志忠，1962年生，高级工程师，毕业于长春邮电学院自动化专业，长期从事电源与通信设备的开发与研制工作，发表学术论文数篇，现任长春三元通信有限公司副总经理。