TOPSwitchGX屬于高性價比的單片開關(guān)電源" title="開關(guān)電源">開關(guān)電源,。下面介紹利用特性曲線快速選擇TOPSwitchGX芯片并估算電源效率" title="電源效率">電源效率η和芯片功耗PD的方法?？焖僭O(shè)計法可為設(shè)計單片開關(guān)電源提供重要依據(jù)。

1快速選擇TOPSwitchGX芯片的方法

TOPSwitchGX的交流輸入方式有兩種：寬范圍輸入（交流85V～265V，亦稱世界通用的供電電壓輸入），固定輸入（交流230V±15％,，亦稱單一供電電壓輸入）。下面介紹四種快速選擇曲線及其使用方法和設(shè)計實例,。

1.1寬范圍輸入時PD與η、PO的關(guān)系曲線

TOPSwitchGX系列產(chǎn)品在寬范圍輸入條件下,，當(dāng)輸出電壓UO=＋5V,、＋12V時，PD與η,、輸出功率（PO）的關(guān)系曲線,，分別如圖1、圖2所示?，F(xiàn)規(guī)定以下條件：開關(guān)頻率f=132kHz,；交流輸入電壓U=85V～265V；輸入濾波電容" title="濾波電容">濾波電容CIN的容量按3μF/W的比例系數(shù)選??；初級感應(yīng)電壓UOR=135V；漏極鉗位電壓UB=200V,，漏極鉗位電路中可以并聯(lián)上RC網(wǎng)絡(luò),，以減少瞬態(tài)電壓抑制器的損耗,；輸出整流管" title="整流管">整流管采用肖特基二極管，5V輸出時正向壓降為0.45V,、反向耐壓為45V,；12V輸出時分別為0.54V、100V,；TOPSwitchGX在額定輸出時的最低結(jié)溫" title="結(jié)溫">結(jié)溫Tjmin=100℃（僅Y封裝為110℃）,。圖中，橫坐標(biāo)代表PO,，縱坐標(biāo)代表η,。所給出的八條實線依次對應(yīng)于TOP242～TOP249的電源效率，虛線則表示芯片功耗的等值線,。圖中的陰影區(qū)對應(yīng)于輸出電流IO>10A的情況,，若要使用該區(qū)域內(nèi)的曲線部分，應(yīng)選更大功率的輸出整流管并增加濾波電容的容量,，此時電源效率會降低些,。

圖1寬范圍輸入、5V輸出時PD與η,、PO的關(guān)系曲線

圖2寬范圍輸入,、12V輸出時PD與η、PO的關(guān)系曲線

圖3固定輸入,、5V輸出時PD與η,、PO的關(guān)系曲線

1.2固定輸入時PD與η、PO的關(guān)系曲線

TOPSwitchGX系列產(chǎn)品在固定輸入條件下,，當(dāng)UO=＋5V,、＋12V時，PD與η,、PO的關(guān)系曲線,，分別如圖3、圖4所示,。這里假定U=230V±15％,，CIN的容量按1μF/W的比例系數(shù)選取。其余條件同上,。

1.3快速選擇曲線的使用方法

利用上述曲線能快速選擇TOPSwitchGX芯片,，并得到電源效率和芯片功耗的估計值，也為選擇散熱器提供了依據(jù),。由于這些曲線反映了PD,、η、PO參數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系,，因此所得到的估計值是可信的,。

使用快速選擇曲線的方法如下：

（1）根據(jù)預(yù)先確定好的U,、UO值，選擇適用的特性曲線,；

（2）從橫坐標(biāo)上查出所預(yù)期的輸出功率點（PO）,；

（3）沿此功率點垂直向上移動，直到與第一條實

曲線相交,；

（4）讀出該交點對應(yīng)于縱坐標(biāo)的電源效率值,；

（5）確定該效率值是否滿足設(shè)計要求，如不滿足,，再向上移動查找其他曲線,；

（6）從虛線（等值線）上讀出所選芯片的功耗PD，供設(shè)計散熱器時參考,。

最后再利用電子數(shù)據(jù)表格或PI專家系統(tǒng)完成整個開關(guān)電源的設(shè)計工作,。

需要指出，設(shè)計人員所預(yù)期的輸出功率值可能對應(yīng)于幾種不同型號的芯片,。此時從橫坐標(biāo)垂直上移時所遇到的第一條實曲線,，就代表輸出功率最小、成本最低的TOPSwitchGX芯片,，而遇見的最后一條實曲線,，則表示功率最大、效率最高,、價格較貴的芯片,。應(yīng)根據(jù)實際情況合理地選擇。此外,，若UO為5V～12V中間的某一數(shù)值,，則可用外插法從兩條曲線中間找一個合適的工作點。注意,，適當(dāng)提升輸出電壓可以提高電源效率,。例如在一個通用型12V、70W的設(shè)計曲線中,，用TOP249Y估計有79.5％的效率,，若將輸出電壓提升到19V,，效率就將達到85％,。而由TOP249Y構(gòu)成交流230V輸入、輸出為48V,、250W的敞開式開關(guān)電源,，其效率可達84.5％。

1.4應(yīng)用實例

例1設(shè)計一個寬范圍輸入,、輸出為5V,、30W的開關(guān)電源

從圖1所示曲線上可以查出,，當(dāng)PO=30W時可選TOP244芯片。此時交點所對應(yīng)的電源效率為67.5％,，TOP244的功耗為3.5W,。若采用TOP245芯片，則效率可提高到70.5％,，功耗也降至2.5W,。當(dāng)PD=1.5W時，可選Y封裝的芯片,。

例2設(shè)計一個寬范圍輸入,、輸出為12V、12W的電源適配器

由圖2上可以查出,，適合PO=12W的芯片型號有兩種：TOP243,、TOP244。所不同的是選擇TOP243時,，η=82％,，PD=0.7W；若選TOP244,，則η=83％,，PD=0.5W，考慮到電源適配器密封在塑料盒內(nèi),，散熱條件較差,，要求Tjmin≤100℃。對于DIP8B封裝的芯片,，在印制板上用232mm2敷銅箔作散熱器時,，其芯片結(jié)溫到周圍空氣的總熱阻RθA=35℃/W。假定最高環(huán)境溫度TAM=50℃,，塑料盒內(nèi)還有大約20℃的溫升△T,，即盒內(nèi)溫度T'A=TAM＋△T=70℃。根據(jù)下式可計算出額定輸出時芯片的最低結(jié)溫：

圖4固定輸入,、12V輸出時PD與η,、PO的關(guān)系曲線

表2寬范圍輸入、12V輸出時關(guān)鍵元件的典型參數(shù)

表1寬范圍輸入,、5V輸出時關(guān)鍵元件的典型參數(shù)

Tjmin=T'A＋RθA·PD

對TOP243P而言,，PD=0.7W時，Tjmin=70＋35×0.7=94.5℃<100℃,。對于TOP244P,，PD=0.5W時不難算出Tjmin=87.5℃。因此,，如果塑料盒內(nèi)沒有足夠的空間安裝散熱器時,，選擇TOP244P就更為適合,。

例3設(shè)計一個寬范圍輸入、輸出為12V,、70W的開關(guān)電源

由圖2可見,，有4種芯片可滿足要求：TOP246Y（效率73.8％，功耗8W）,；TOP247Y（效率77％,，功耗5.5W）；TOP248Y（效率78.5％,，功耗4.5W）,；TOP249Y（效率79.5％，功耗3.9W）,。顯然,，選擇TOP249Y時電源效率最高，而器件的功耗為最低,，但其價格要稍貴些,。

2關(guān)鍵元件的典型參數(shù)值

TOPSwitchGX在寬范圍輸入、輸出為5V或12V時,，關(guān)鍵元件的典型參數(shù)值分別見表1和表2,，所列數(shù)據(jù)可供設(shè)計開關(guān)電源時參考。表中,，LP,、LP0分別為高頻變壓器初級電感量和初級漏感量，f0是次級開路時高頻變壓器的諧振頻率,，ZP,、ZS依次為初級和次級繞組的交流阻抗，PL為磁芯的功率損耗,。

3設(shè)計注意事項

必須指出,，TOPSwitchGX的快速設(shè)計法旨在提供設(shè)計開關(guān)電源的正確途徑，所得到的PD,、η參數(shù)均為估計值,。最終能否達到設(shè)計指標(biāo)，還受諸多因素的影響,。下面闡述設(shè)計過程中的一些注意事項,。

3.1造成開關(guān)電源性能指標(biāo)降低的主要因素

（1）當(dāng)輸入濾波電容CIN的容量存在負偏差或因電容衰老而使容量減小時，會導(dǎo)致直流輸入電壓UI降低,，初級有效值電流增大,，使可用芯片的選擇范圍減??；

（2）受制造工藝的限制,，高頻變壓器的初級電感量LP可能有較大的偏差。LP過大,，需增大高頻變壓器的尺寸,；而LP過小，會使初級脈動電流和有效值電流增大,，增加芯片的功耗,，要采用較大功率的TOPSwitchGX芯片；

（3）快速選擇曲線僅適合于交流輸入為正弦波,。當(dāng)電網(wǎng)波形有嚴(yán)重失真時,，會導(dǎo)致整流濾波后的UI降低，有可能使芯片欠壓保護,。此時應(yīng)增大輸入濾波電容CIN的容量,，或者降低PO值；

（4）初級感應(yīng)電壓UOR對電源效率有很大影響,。UOR太高,，不僅會增加鉗位保護電路的功耗，還容易燒毀鉗位二極管,，進而損壞TOPSwitchGX芯片,。另外，UOR過低,，會降低輸出功率和電源效率,；

（5）低壓輸出時，要求輸出濾波電容COUT的等效串聯(lián)電阻（ESR）必須很低,，以免增加次級損耗,；

（6）為提高電源效率，必須減小高頻變壓器的初級漏感LP0,。正確的設(shè)計應(yīng)使LP0／LP的比值不超過1％～1.5％,。否則，應(yīng)改進高頻變壓器的結(jié)構(gòu)和制造工藝,。測量LP0時,，應(yīng)先把次級繞組短路，再用數(shù)字電感表或RLC自動測量儀測量初級繞組兩端的漏感《電源技術(shù)應(yīng)用》2001年9月第9期

量,；

（7）開關(guān)電源的效率愈低,，表明芯片功耗愈大。當(dāng)效率過低時有可能從快速曲線上查不到任何一條實曲線,，此時虛線亦失效,，這證明設(shè)計不合理，需重新設(shè)計。

3.2提高開關(guān)電源性能指標(biāo)的方法

（1）前面提到CIN的每W電容量推薦值,，只是能滿足設(shè)計指標(biāo)并降低電容器成本的基本條件,。但就電源效率和CIN的使用壽命而言，適當(dāng)提高每W的電容量值,，定能達到更好的性能指標(biāo),，只是CIN的容量增大了，成本也會相應(yīng)增加,；

（2）若已確信開關(guān)電源總處于低壓輸入情況,，可適當(dāng)提高鉗位電壓UB和感應(yīng)電壓UOR。這樣雖然會增大次級峰值電流ISP,，卻能提高總的電源效率并降低芯片功耗,。令輸出整流管的反向耐壓值為U（BR）S，有下述關(guān)系式：UOR↑→D↓→IRMS↓→Tjmin↓→U(BR)S↓,。這就便于選擇低耐壓,、高效率的肖特基二極管作整流管；（3）對于TOPSwitchGX芯片,，可得到兩個互相獨立的最大輸出功率值,。一個是通過設(shè)定工作參數(shù)（例如Dmax、）而得到的,；另一個是由芯片最低結(jié)溫Tjmin所決定的熱狀態(tài)下最大輸出功率,。快速選擇曲線未考慮Tjmin的限制,，而后者可能使設(shè)計的輸出功率低于芯片最大輸出功率,，此時可相應(yīng)增加初級電感量并改善散熱條件。將電源適配器設(shè)計在連續(xù)模式下工作,，能夠降低芯片的功耗,；

（4）使用快速選擇曲線的條件之一是TOPSwitchGX在低于100℃結(jié)溫下工作。如能在較低的結(jié)溫下工作,，會改善其輸出特性,。此外，適當(dāng)增加散熱器面積,，也有助于提高電源效率和輸出功率,。