本文介紹了一種基于TOPSwith系列芯片設(shè)計的小功率多路輸出AC/DC開關(guān)電源的原理及設(shè)計方法。

　　設(shè)計要求

　　本文設(shè)計的開關(guān)電源將作為智能儀表的電源,，最大功率為10 W。為了減少PCB的數(shù)量和智能儀表的體積,，要求電源尺寸盡量小并能將電源部分與儀表主控部分做在同一個PCB上,。

　　考慮10W的功率以及小體積的因素，電路選用單端反激電路,。單端反激電路的特點是：電路簡單,、體積小巧且成本低。單端反激電路由輸入濾波電路,、脈寬調(diào)制電路,、功率傳遞電路(由開關(guān)管和變壓器組成)、輸出整流濾波電路,、誤差檢測電路(由芯片TL431及周圍元件組成)及信號傳遞電路(由隔離光耦及電阻組成)等組成,。本電源設(shè)計成表面貼裝的模塊電源，其具體參數(shù)要求如下：

• 　　輸出最大功率：10W
• 　　輸入交流電壓：85～265V
• 　　輸出直流電壓／電流：+5V,，500mA,；+12V，150mA,；+24V,，100mA
• 　　紋波電壓：≤120mV

　　單端反激式開關(guān)電源的控制原理

　　所謂單端是指TOPSwitch-II系列器件只有一個脈沖調(diào)制信號功率輸出端一漏極D。反激式則指當功率MOSFET導通時,，就將電能儲存在高頻變壓器的初級繞組上,，僅當MOSFET關(guān)斷時，才向次級輸送電能,，由于開關(guān)頻率高達100kHz,，使得高頻變壓器能夠快速存儲、釋放能量,，經(jīng)高頻整流濾波后即可獲得直流連續(xù)輸出,。這也是反激式電路的基本工作原理。而反饋回路通過控制TOPSwitch器件控制端的電流來調(diào)節(jié)占空比,，以達到穩(wěn)壓的目的,。

　　TOPSwitch-Ⅱ系列芯片選型及介紹

　　TOPSwitch-Ⅱ系列芯片的漏極(D)與內(nèi)部功率開關(guān)器件MOSFET相連，外部通過負載電感與主電源相連,，在啟動狀態(tài)下通過內(nèi)部開關(guān)式高壓電源提供內(nèi)部偏置電流,，并設(shè)有電流檢測?？刂茦O(C)用于占空比控制的誤差放大器和反饋電流的輸入引腳,，與內(nèi)部并聯(lián)穩(wěn)壓器連接，提供正常工作時的內(nèi)部偏置電流,，同時也是提供旁路,、自動重起和補償功能的電容連接點,。源極(S)與高壓功率回路的MOSFET的源極相連，兼做初級電路的公共點與參考點,。內(nèi)部輸出極MOSFET的占空比隨控制引腳電流的增加而線性下降,，控制電壓的典型值為5.7 V，極限電壓為9 V,，控制端最大允許電流為100 mA,。

　　在設(shè)計時還對閾值電壓采取了溫度補償措施，以消除因漏源導通電阻隨溫度變化而引起的漏極電流變化,。當芯片結(jié)溫大于135℃時,，過熱保護電路就輸出高電平，關(guān)斷輸出極,。此時控制電壓Vc進入滯后調(diào)節(jié)模式,，Vc端波形也變成幅度為4.7V～5.7V的鋸齒波．若要重新啟動電路，需斷電后再接通電路開關(guān),，或者將Vc降至3.3V以下,，再利用上電復位電路將內(nèi)部觸發(fā)器置零，使MOSFET恢復正常工作,。

　　采用TOPSwitch-Ⅱ系列設(shè)計單片開關(guān)電源時所需外接元器件少，而且器件對電路板布局以及輸入總線瞬變的敏感性大大減少,，故設(shè)計十分方便,，性能穩(wěn)定，性價比更高,。

　　對于芯片的選擇主要考慮輸入電壓和功率,。由設(shè)計要求可知，輸入電壓為寬范圍輸入,，輸出功率不大于10W,，故選擇TOP222G。

　　電路設(shè)計

　　本開關(guān)電源的原理圖如圖1所示,。

　　電源主電路為反激式,，C1、L1,、C2,，接在交流電源進線端，用于濾除電網(wǎng)干擾,，C5接在高壓和地之間,，用于濾除高頻變壓器初、次級后和電容產(chǎn)生的共模干擾,，在國際標準中被稱為"Y電容",。C1跟C5都稱作安全電容,，但C1專門濾除電網(wǎng)線之間的串模干擾，被稱為"X電容",。

　　為承受可能從電網(wǎng)線竄入的電擊,，可在交流端并聯(lián)一個標稱電壓u1mA為275V的壓敏電阻VSR。

　　鑒于在功率MOSFET關(guān)斷的瞬間,，高頻變壓器的漏感產(chǎn)生尖峰電壓UL,，另外，在原邊上會產(chǎn)生感應反向電動勢UOR,，二者疊加在直流輸入電壓上,。典型的情況下，交流輸入電壓經(jīng)整流橋整流后,，其最高電壓UImax=380V,，UL≈165V，UOR=135V,，貝UOR+UL+UOR≈680V,。這就要求功率MOSFET至少能承受700V的高壓，同時還必須在漏極增加鉗位電路,，用以吸收尖峰電壓,，保護TOP222G中的功率MOSFET。本電源的鉗位電路由D2,、D3組成,。其中D2為瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)P6KE200，D3為超快恢復二極管UF4005,。當MOSFET導通時,，原邊電壓上端為正，下端為負,，使得D3截止,，鉗位電路不起作用。在MOSFET截止瞬間,，原邊電壓變?yōu)橄露藶檎?，上端為負，此時D1導通,，電壓被限制在200V左右,。

　　輸出環(huán)節(jié)設(shè)計

　　以+5V輸出環(huán)節(jié)為例，次級線圈上的高頻電壓經(jīng)過UF5401型100V／3A的超快恢復二極管D7,，由于+5V輸出功率相對較大,，于是增加了后級LC濾波器，以減少輸出紋波電壓。濾波電感L2選用被稱作"磁珠"的3.3μH穿心電感,，可濾除D7在反向恢復過程中產(chǎn)生的開關(guān)噪聲,。

　　對于其他兩路輸出，只需在輸出端分別加上濾波電容,。其中R3,、R4分別為輸出的假負載，它們能降低各自輸出端的空載和輕載電壓,。

　　反饋環(huán)節(jié)設(shè)計

　　反饋同路主要由PC817和TL431及若干電容,、電阻構(gòu)成。其中U2為TL431,，它為可調(diào)試精密并聯(lián)穩(wěn)壓器,，利用電阻R5、R6分壓獲得基準電壓值,。通過調(diào)節(jié)R5,、R6的值可以調(diào)節(jié)輸出電壓的穩(wěn)壓值。C8為TL431的頻率補償電容,，可以提高TL43l的瞬態(tài)頻率響應,。C7為軟啟動電容，取C7=22μF時可增加4ms的軟啟動時間,，在加上TOP222G本身已有的10ms軟啟動時間,，則總共為14ms。

　　U3為PC817型線性光耦合器,，其電流傳輸比(CTR)范圍為80％～160％,，，能夠較好地滿足反饋回路的設(shè)計要求,，而目前國內(nèi)常用的4N25、4N26屬于非線性光耦合器,，不宜采用,。反饋繞組上產(chǎn)生的電壓經(jīng)D4、C9整流濾波,，獲得非隔離式+12V輸出,，為PC817接收管的集電極供電。由于反饋繞組輸出電流較小,，次級采用D4硅高速開關(guān)管1N4148,。光耦PC817能將+5V輸出與電網(wǎng)隔離，其發(fā)射極電流送至TOP222G的控制端,，用來調(diào)節(jié)占空比,。

　　C3為控制端旁路電容，它能對控制回路進行補償并設(shè)定自動重啟頻率。當C3=47μF時,，自動重啟頻率為1.2Hz,，即每隔0.83s檢測一次調(diào)節(jié)失控故障是否已經(jīng)被排除，若確認已被排除,，就自動重啟開關(guān)電源恢復正常工作,。

　　R2為PC817中LED的外部限流電阻。實際上除了限流保護作用外,，他對控制回路的增益也具有重要影響,。當R2改變時，會依次影響到下列參數(shù)值：IF→IC→D→UO,，也就相當于改變了控制回路的電流放大倍數(shù),。

　　下面簡要分析一下反饋回路實現(xiàn)穩(wěn)壓的工作原理。當輸出電壓UO發(fā)生波動且變化量為UO時,，通過取樣電阻R5,、R6分壓后，就使TL431的輸出電壓UK也產(chǎn)生相應的變化,，進而使PC817中LED的工作電流IF改變,，最后通過控制端電流IC的變化量來調(diào)節(jié)占空比D，使UO產(chǎn)生相反的變化,，從而抵消UO的波動,。上述穩(wěn)壓過程可歸納為：

　　UO ↑→UK ↓→IF ↑→IC ↑→D ↓→UO↓→最終使UO不變。

　　其余各路輸出未加反饋,，輸出電壓均由高頻變壓器的匝數(shù)來確定,。

　　變壓器設(shè)計

　　變壓器的設(shè)計是整個電源設(shè)計的關(guān)鍵，它的好壞直接影響電源性能,。

　　磁芯及骨架的確定

　　由于本文選用漆包線繞制,，而且EE型磁芯的價格低廉，磁損耗低且適應性強,，故選擇EE22,，其磁芯長度A=22mm。從廠家提供的磁芯產(chǎn)品手冊中可查得磁芯有效橫截面積SJ=0.41cm2,，有效磁路長度1=3.96cm,，磁芯等效電感AL=2.4μH／匝2，骨架寬度b=8.43mm,。

　　確定最大占空比Dmax

　　根據(jù)公式：

　　其中,，UOR=135V，直流輸入最小電壓值UImin=90V,，MOSFET的漏-源導通電壓UDS(ON)=10V,，代入上式得：Dmax=64.3％，接近典型值67％。Dmax隨著輸入電壓的升高而減小,。

　　計算初級線圈中的電流

　　輸入電流的平均值IAVG為

　　初級峰值電流IP為：

　　其中,，KRP為初級紋波電流IR與初級峰值電流IP的比值，當電壓為寬范圍輸入時,，可取0.9,。將Dmax=64.3％代入得，IP=0.518A,。

　　確定初級繞組電感LP

　　其中,，損耗分配系數(shù)Z=0.5，IP=0.518A,，KRP=0.4,，PO=10W，代入得：LP≈1265μH,。

　　確定繞組繞制方法

　　并計算各繞組的匝數(shù)

　　初級繞組的匝數(shù)NP可以通過下式計算：

　　其中,，磁芯截面積SJ=0.41cm2，磁芯最大磁通密度BM=60,，IP=0.518A,，LP≈1265μH，代入可得NP=26.6,，實取30匝,。

　　次級繞組采用堆疊式繞法，這也是變壓器生產(chǎn)廠家經(jīng)常采用的方法,，其特點是由5V繞組給12V繞組提供部分匝數(shù),，而24V繞組中則包含了5V、12V的繞組和新增加的匝數(shù),。堆疊式繞法技術(shù)先進,，不僅可以節(jié)省導線，減小線圈體積,，還可以增加繞組之間的互感量,，加強耦合程度。以本電源為例,，當5V輸出滿載而12V和24V輸出輕載時，由于5V繞組兼作12V,、24V繞組的一部分,，因此能減小這些繞組的漏感，可以避免因漏感使12V,、24V輸出電路中的濾波電容被尖峰電壓充電到峰值,，即產(chǎn)生所謂的峰值充電效應，從而引起輸出電壓不穩(wěn)定。這里將5V繞組作為次級的始端,。

　　對于多輸出高頻變壓器,，各輸出繞組的匝數(shù)可以取相同的每伏匝數(shù)。每伏匝數(shù)nO可以由下式確定：

　　其單位是匝／VO將NS取5匝,，UO1=5V,，UF1=0.4V(肖特基整流管導通壓降)代入上式得到nO=0.925匝／V。

　　對于24V輸出,，已知UO2=24V,，UF2=0.4V，則該路輸出繞組匝數(shù)為NS2=0.925 匝／V×(24V十0.4V)=22.57匝,，實取22匝,。

　　對于12V輸出，已知UO3=12V,，UF2=0.4V,，則該路輸出繞組匝數(shù)為NS2=0.925匝／V ×(12V+0.4V)=11.47匝，實取11匝,。

　　對于反饋繞組,，已知UF=12V，UF3=0.7V(硅快速恢復整流二極管導通壓降),，則該路輸出繞組匝數(shù)為NS2=0.925匝／V×(12V+0.4V)=11.47匝,，實取11匝。

　　確定初／次級導線的內(nèi)徑

　　首先根據(jù)初級層數(shù)d,、骨架寬度b和安全邊距M,，利用下式計算有效骨架寬度bE(單位是mm)：

　　bE=d(b-2M) (7)

　　將d=2，b=8.43mm,，M=0代入上式可得bE=16.86mm,。

　　利用下式計算初級導線的外徑(帶絕緣層)DPM：

　　DPM=bE／NP (8)

　　將bE=16.86mm，NP=78匝代人得DPM=0.31mm,，扣除漆皮厚度,，裸導線內(nèi)徑DPM=0.26mm。與直徑0.26mm接近的公制線規(guī)為0.28mm,，比0.26mm略粗完全可以滿足要求,，而0.25mm的公制線規(guī)稍細，不宜選用,。而次級繞組選用與初級相同的導線,，根據(jù)電流的大小，采用多股并繞的方法繞制,。

　　試驗數(shù)據(jù)

　　該開關(guān)電源的輸人特性數(shù)據(jù)見表1,，在u=85～245V的寬范圍內(nèi)變化時,，主路輸出UO1=5V(負載為65Ω)的電壓調(diào)整率SV=±0.2％，輸出紋波電壓最大值約為67mV,；輔助輸出UO2=24V(負載為250Ω),，輸出紋波電壓最大值約為98mV；輔助輸出UO3=12V(負載為100Q),，輸出紋波電壓最大值約為84mV,。