基于TOP247Y的反激式单片开关电源研制

单片开关电源具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标等特点引起了越来越多人的重视。目前，随着单片开关电源模块的应用，中、小功率开关电源正朝着短、小、轻、薄的方向发展。可广泛用于仪器仪表、计算机、家用电器（如彩电、DVD、数码像机）、自动控制等领域，为新型高效节能电源的推广与普及奠定了基础。开发各种通用型、精密型及特种单片开关电源模块，能够大大提高我国开关电源产品的科技水平和在国内外市场上的竞争能力，创造出巨大的经济效益与社会效益。

一：单片开关电源的发展概况[1]

　　90年代中、后期，随着集成电路的发展，出现了各种类型的单片开关电源集成电路。它将开关电源中的脉宽控制器、功率输出级、保护电路等集成在一个芯片中，能构成高效率无须工频变压器的隔离式开关电源。比较有代表性的荷兰Philips公司2000年研制的TEA1520系列开关电源，美国Onsemi公司1998~2002年先后开发的NCP1050、NCP1000系列单片开关电源，美国Motorola公司1999年推出的MC33370系列五端开关电源，美国PI公司于1994年最先推出了TOPSwitch系列第一代产品，被人们誉为“顶级开关电源”，1997年推出了TOPSwitch-Ⅱ系列，1998年推出了TinySwitch系列，2000年推出了TOPSwitch-FX系列，随后又推出了TOPSwitch-GX系列，并做为主流产品加以推广。本文以TOPSwitch-GX系列中的TOP247Y为例具体阐述其性能特点和典型设计应用。

二：TOPSwitch-GX系列六端开关电源芯片特点[2]

　　1 TOPSwitch-GX内部主要由控制电压源、带隙基准电压源、频率抖动振荡器、脉宽调制器、并联调整器/误差比较器、门驱动级和输出级、高压功率开关管(MOSFET)、偏置电路、过流保护电路、过压、欠压检测及保护电路、过热保护电路、上电复位电路、软启动电路、轻载时自动降低开关频率电路、停止逻辑、开启电压为1V的电压比较器组成。通过高频变压器使输出端和电网实现隔离，使之具有体积小、效率高、安全可靠的特点。

　　2 输入交流电压范围很宽，可以是固定230VAC±15%，或者宽范围85-265VAC，但在宽范围输入情况下，最大输入功率降低40%左右。输入信号的频率范围为47-440HZ。

　 　3 开关频率典型值为132K，在轻载时可以工作在半频工作模式，最大占空比可达80%，电源效率80%左右，最大可达到90%。

　　4 TOPSwitch-GX有六个引出端，它们分别是控制端C、线路检测端L、极限电流设定端X、源极S、开关频率选择端F、漏级D。控制端C具有多项功能：(1)该端电压VC为片内并联调整器和门驱动级提供偏压，(2)通过控制该端的电流来调整占空比，(3)作为电源支路与自动重启动/补偿电容的连接点，通过外接旁路电容来决定自动重启动的频率，并对控制回路进行补偿。

　　5　TOPSwitch工作原理通过反馈电流IC来调节占空比，从而实现稳压。比如说，当由于某种原因导致电源的输出电压VO降低时，则将经过光耦反馈电路使IC↓→D↑→VO↑，从而实现VO的稳定。

　　6 能有效的降低开关电源所产生的电磁干扰(EMI)。

　　7 外围电路简单，成本低廉，外部只需要接整流滤波器、高频变压器、漏级钳位保护电路、反馈电路和输出电路。这样能增加电路可靠性和降低成本。

三：典型设计[3]

　　基于TOP247Y的24V/72W的单片反激式开关电源如图1所示。

图1：24V、72W的开关电源

　　输入端为110V交流，经过电磁干扰滤波器(EMI)(C1,T1),再经过由D1/D2和C2/C3组成的倍压整流电路至高频变压器的原边。R1/R2为均衡电阻，可以平衡C2/C3上的电压，避免某一电容因压降过高而被击穿。在TOP247Y导通期间，高频变压器的原边下端为负，由同名端可知此时副边储能，并不向外输出能量。当TOP247Y截止时间，副边才可以向外输出能量。所以此电路拓扑为一反激拓扑。在高频变压器的初级，必须加保护电路，这样才能吸收由于漏感产生的高压，图中超快恢复二极管D3和瞬态电压抑制器VS(P6KE200)以及RC组成的SNUBBER电路可以将尖峰电压钳位到安全值。线路检测端L来实现过电压/欠电压保护；电压前馈（当电网电压过低时用来降低最大占空比）。次级电压经过D4 C6 L1 C8整流滤波后，获得+24V、3A的稳压输出。为减小整流管的损耗，D4采用MBR1060型10A/60V肖特基二极管。C5和R6并联在D4两端，能防止D4在高频开关状态下产生自激振荡（振铃）,R11作为空载情况下的假负载。提高轻载时的负载调整率。改变高频变压器的变比或者R8，R9的比值，可以改变输出直流电压的大小。由可调式精密并联稳压器TL431构成外部误差放大器，它与线形光耦CNY17-2组成了光耦反馈电路。其稳压原理是当输出电压VO发生波动时，经R8、R9分压后得到的取样电压就与TL431中的2.5V基准电压进行比较，产生外部误差电压△u， 再通过光耦使IC产生相应的变化，并以此调节输出占空比，达到稳压目的。反馈绕组电压经过D5和C7整流滤波后，产生12V的反馈电压，经过CNY17-2给TOP247Y的控制端提供偏压。C9是旁路电容，它与R10构成控制环路的补偿电路并设定自动重启动频率。

四：设计要点

　　器件选择：

　　1 首先要根据功率要求和效率要求选择合适的TOPSwitch管。

　　2 二极管(D3,D4)选择方面要选择超快恢复二极管，如果输出电压较低，D4可选用反向耐压较低的肖特基管可更好的提高系统的效率。

　　3 应选用电流传输比(CTR)能线性变化的光耦，如CNY17-2，PC817A，NEC2501，6N137等，不宜使用如4N25、4N35等普通光耦，后者线性度差，将造成失真而影响开关电源的稳压性能。
高频变压器设计[4]

　　高频变压器设计的好坏是整个系统成功与否的关键，可以先利用PI公司提供的PI EXPERT软件来进行初步设计，然后再在此基础上进行修正设计。与正激电路中变压器设计不同的是反激变压器磁芯要留有合适的气隙。根据系统频率要求(130K)选择高频铁氧体的磁芯，在满足功率容量的同时要改善饶组饶制方法尽量减少原边漏感。本电源设计中，原边漏感做到了10UH以下。较好的满足了系统的要求。

五: 结束语

　　单片开关电源是一项颇有前景和影响力的新产品。本文以目前主流TOPSwitch-GX系列中的典型芯片TOP247Y为例给出了具体的设计。对于单片开关电源设计具有普遍意义。

参考文献
[1] 沙占友. 单片开关电源最新应用技术. 北京： 机械工业出版社，2003,6
[2] Top242-250. Power integration, March 2004
[3] 刘胜利. 现代高频开关电源实用技术. 北京：电子工业出版社，2001,9
[4] Flyback Transformer Design for TOPSwitch Power Supplies. Power integration, June 1996