集成開關(guān)電源一直在沿著兩個方向不斷發(fā)展:第一是對開關(guān)電源的核心單元——控制電路實現(xiàn)集成化。第二個方向則是對中,、小功率開關(guān)電源實現(xiàn)單片集成化,。
單片開關(guān)電源集成電路具有高集成度、高性價比,、最簡單的外圍電路,、最佳的性能指標(biāo),、能構(gòu)成高效率無工頻變壓器的隔離式開關(guān)電源等優(yōu)點。目前已成為國際上開發(fā)中,、小功率開關(guān)電源,、精密開關(guān)電源、特種開關(guān)電源及電源模塊的優(yōu)選集成電路,。目前,，單片開關(guān)電源已形成了幾十個系列、數(shù)百種產(chǎn)品,。然而開關(guān)效率始終是一個眾人關(guān)注的問題,。本文就此問題提出了一點自己的看法。
1 Topswitch芯片在開關(guān)電源中的應(yīng)用
70年代以來,，電源產(chǎn)品掀起了一波高頻化,、小型化、模塊化的浪潮,。從而有力地促進了單片開關(guān)電源的發(fā)展,。對于200W以下的開關(guān)電源，與其他電路相比,，應(yīng)用Topswitch系列器件的電路相對簡捷,，體積小，重量輕,，自保護功能齊全,，設(shè)計方便。另外,，TOPSwitch器件不必另設(shè)散熱器,，也節(jié)省了成本。其內(nèi)部的PWM控制器和MOSFET功率開關(guān)管是在管殼內(nèi)連接的,，連線極短,，這就消除了高頻輻射，改善了電源的電磁兼容性能,，減小了器件對電路板布局和輸入總線的瞬變要求,。
TOPSwitch-Ⅱ是TOPSwitch的改進型號，與第一代產(chǎn)品相比,，該器件在性能上有了很大改進,。它將單電壓輸入時的最大功率從100W提高到150W，電磁兼容性也得到了增強,，而且具有更高的性能價格比,，并使電源的體積和重量大為減小。由于它是將700 V的功率MOSFET,、晶振,、高壓開關(guān)電流源,、限流和熱關(guān)斷電路集成于一體，并以其突破性的設(shè)計提供了一種高效率開關(guān)電源的設(shè)計方案,，因而是具有偏置和自保護,、電流線性占空比的變換器，該器件采用漏極開路輸出,。
第三代TOPSwitch-FX系列是一種五端單片開關(guān)電源集成電路,，它采用了“跳過周期”等新技術(shù)。如果開關(guān)電源的負(fù)載非常輕,，以至于開關(guān)電源在最小占空比(Dmin=1.5％)之下所提供的輸出功率仍然超過負(fù)載功耗時，TOPSwitch—FX就采用跳過周期的工作方式來進一步降低輸出功率,，同時提高輕載時電壓的穩(wěn)定性,。此方式可等效為先將占空比固定在1.5％(或更低值)上，然后用脈沖頻率調(diào)制(PFM)方式調(diào)節(jié)輕載時的U0值,。這樣,，根據(jù)負(fù)載的變化情況，開關(guān)電源能在正常工作和跳過周期方式之間自動轉(zhuǎn)換,，而無須其它控制,。如不需要跳過周期，可在電源輸出端接上最小負(fù)載RLmin,，并使D大于Dmin為1.5％的占空比,。采用跳過周期模式不僅能獲得極低的輸出功率，而且還能減小噪聲電壓,。
TOPSwitch-GX為第四代產(chǎn)品,。它采用與TOPSwitch相同的拓?fù)潆娐穪韺⒏邏汗β蔒OS-FET、脈寬調(diào)制(PWM)控制器,、故障自動保護和其它控制電路集成到單片CMOS芯片中,，并將工作頻率提高到132 kHz，同時也拓展了TOP-Switch系列的功率范圍,，將單電壓輸入時的最大功率提高到250 W,。此外，它還集成了多項新功能,，因此有效地降低了系統(tǒng)成本,，提高了設(shè)計的靈活性、以及功能和效能,。
2 影響單片開關(guān)電源效率的主要因素
TOPSwitch系列芯片作為單片開關(guān)電源的一部分,，對電源效率有著一定的影響。圖1所示是以ST204A型單片開關(guān)電源模塊的內(nèi)部電路,。實際上,，圖中電源的大部分功率損耗是由TOP204Y,、鉗位二極管(VDZ)、輸出整流管(VD2),、共模扼流圈(L2),、整流橋(BR)、高頻變壓器(T)及輸入電容(C1),、輸出電容(C2)等產(chǎn)生的,。它們也是影響電源效率的主要因素。
3 提高單片開關(guān)電源效率的方法
3.1 正確確定初級電路元器件
(1)輸入整流橋(BR)的選擇
選擇具有較大容量的整流橋并使之工作在較小的電流下,，可減小整流橋的壓降和功率損耗,，提高電源效率。由二極管構(gòu)成的整流橋(BR)的標(biāo)稱電源電流IN應(yīng)大于在輸入電壓為最小值(Umin)時的初級有效電流,，功率因數(shù)應(yīng)取0.6～0.8之間,，其具體數(shù)值取決于輸入電壓u和輸入阻抗。
(2)鉗位二級管(VDZ)的選擇
鉗位電路主要用來限制高頻變壓器漏感所產(chǎn)生的尖峰電壓并減小漏極產(chǎn)生的振鈴電壓,。在所示的單片開關(guān)電源模塊電路中,，輸入鉗位保護電路由VDZ和VD1構(gòu)成。為降低其損耗,，VDZ可選用P6KE200型瞬變電壓抑制二極管,；VD1則選用BYV 26C型快恢復(fù)二極管。
(3)輸入濾波電容(C1)
輸入濾波電容C1用于濾除輸入端引入的高頻干擾,，C1的選擇主要是正確估算其電容量,。通常輸入電壓U1增加時，每瓦輸出功率所對應(yīng)的電容量可減小,。
(4)交流輸入端電磁干擾濾波器(EMI)
C6用于構(gòu)成交流輸入端的電磁干擾濾波器(EMI),。C6能濾除輸入端脈動電壓所產(chǎn)生的串模干擾，L2則可抑制初級線圈中的共模干擾,。
(5)限流保護電路
為限制通電瞬間的尖峰電流,，可在輸入端接入具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻(NTC)。選擇該電阻時應(yīng)使之工作在熱狀態(tài)(即低阻態(tài)),，以減小電源電路中的熱損耗
(6)輸出整流管(VD2)
正確選擇輸出整流管VD2可以降低電路損耗,，提高電源效率。其方法一是選用肖特基整流管,，原因是其正向傳輸損耗低,，且不存在快恢復(fù)整流管的反向恢復(fù)損耗；二是將開關(guān)電源設(shè)計成連續(xù)工作模式,，以減小次級的有效值電流和峰值電流,。輸出整流管的標(biāo)稱電流應(yīng)為輸出直流電流額定值的3倍以上。
(7)輸出濾波電容(C2)
電源工作時,，輸出濾波電容(C2)上的脈動電流通常很大,。一般在固定負(fù)載情況下,，通過C2的交流標(biāo)稱值IC2曉必須滿足下列條件：
IC2=(1.5～2) IR1
式中，IR1是輸出濾波電容C2上的脈動電流,。
設(shè)輸出端負(fù)載為純電阻性R1,，那么，R1C2愈大,，則C2放電愈慢,，輸出波形愈平坦。也就是說,，在R1一定的情況下,，C2愈大，輸出直流電壓愈平滑,。
3.2 確保高頻變壓器的質(zhì)量
設(shè)計時應(yīng)確保高頻變壓器有合理的結(jié)構(gòu),，同時應(yīng)保證其具有較低的直流損耗和交流損耗且漏感小，線圈本身的分布電容及各線圈之間的耦合電容也要足夠小,。為達到上述目標(biāo)，最主要的是要正確確定磁芯的形狀,、尺寸,、磁芯材料以及線圈的繞制方法等。
(1)降低高頻變壓器的直流損耗
交流損耗是由高頻電流的趨膚效應(yīng)以及磁芯損耗引起的,。趨膚效應(yīng)會使導(dǎo)線的有效流通面積減小,，并使導(dǎo)線的交流等效阻抗遠高于銅電阻。由于高頻電流對導(dǎo)線的穿透能力與開關(guān)頻率的平方根成反比,。為了減小交流銅損耗,，其導(dǎo)線半徑不得超過高頻電流可達深度的兩倍。事實上,，在根據(jù)開關(guān)頻率確定導(dǎo)線直徑φ后,，實際制作時應(yīng)用比φ更細的導(dǎo)線多股并繞而不是用一根粗導(dǎo)線繞制。
(2)減小漏感
因為漏感愈大,，產(chǎn)生的尖峰電壓幅度愈高,；而初級尖峰電壓幅度愈高，初級鉗位電路的損耗就愈大,，從而將導(dǎo)致電源效率降低,。所以，在設(shè)計高頻變壓器時,，必須把漏感減至最小,。對于低損耗的高頻變壓器，其漏感量應(yīng)是開路時初級電感量的減小漏感的措施有減小初級線圈的匝數(shù),、增大線圈的寬度,、增加線圈尺寸的高度與寬度之比,、減小線圈之間的絕緣層以及增加線圈之間的耦合程度等。
(3)減小線圈的分布電容
在開關(guān)電源的每個通,、斷轉(zhuǎn)換期間,，線圈分布電容將反復(fù)充、放電,，這樣,，其上的能量被吸收將使電源效率降低。此外,，分布電容與線圈的分布電感也會構(gòu)成LC振蕩回路,，并產(chǎn)生振蕩噪聲。對于初級線圈的分布影響,，可以采取如下措施來減小線圈的分布電容：一是盡量減小每匝導(dǎo)線的長度,；二是將初級線圈的始端接漏極；三是在初級線圈之間加絕緣層,。
4 結(jié)束語
本文通過分析單片開關(guān)電源的工作原理和影響其效率的主要因素,，提出了提高單片開關(guān)電源效率的主要方法，指出了正確確定初,、次級電路元件,，正確設(shè)計高頻變壓器并使其具有高質(zhì)量指標(biāo)是其關(guān)鍵因素。本文的分析及結(jié)論可用于指導(dǎo)高效單片開關(guān)源的設(shè)計,。