基于TOP224Y的单片开关电源设计
【摘要】：介绍了一种基于TOP224Y三端离线式PWM集成芯片的反激式开关稳压电源;分析了TOP224Y的特性和工作原理,设计了一款功率20W,输出+15V的单片开关电源,对系统输入整流滤波电路、高频变压器、箝位保护电路、输出整流滤波电路及反馈电路五个部分进行了详细的分析,并按照指标要求,进行了实际参数值计算、器件的选取与电路设计;最后,给出了该电源输出实验波形及整体性能分析;实验证明:该开关稳压电源效率高、纹波小、输出电压稳定,性能优良,适合于仪器仪表的控制用电。
【关键词】：单片开关电源;单端反激式;高频变压器。
【引言】：开关电源被誉为高效节能电源,应用日益广泛,在许多领域它正在逐步取代线性电源,成为稳压电源的发展方向。开关电源的设计通常采用控制电路与功率开关器件相结合的分立结构,但这种方案开发周期长、成本高、系统可靠性低。上世纪90年代美国PI(PowerIntegrationInc.)公司推出的TOPS2witch系列开关电源集成芯片解决了这些问题。该系列芯片将自启动电路、功率MOSFET、控制电路以及保护电路集成在一起,极大地简化了外围电路的设计,降低了成本,增强了系统的可靠性,缩短了研发周期;同时提高了电源的效率,并使电源的体积和重量大为减小。所以,该系列芯片一经推出便得到广泛的应用,展示了其良好的应用前景。
第一章 TOP开关的结构及典型应用
1.1 结构： TOP开关集各种控制功能、保护功能及耐压700V的功率开关MOSFET于一体，采用TO220或8脚DIP封装。少数采用8脚封装的TOP开关，除D、C两引脚外，其余6脚实际连在一起，作为S端，故仍系三端器件。三个引出端分别是漏极端D、源极端S和控制端C。其中，D是内装MOSFET的漏极，也是内部电流的检测点，起动操作时，漏极端由一个内部电流源提供内部偏置电流。控制端C控制输出占空比，是误差放大器和反馈电流的输入端。在正常操作时，内部的旁路调整端提供内部偏置电流，且能在输入异常时，自动锁定保护。源极端S是MOSFET的源极，同时是TOP开关及开关电源初级电路的公共接地点及基准点。
1.2 12V/30W小功率开关电源：
12V/30W小功率开关电源原理图如图1所示。该电源特性是：简单，直接可与220V交流电源连接，经桥式整流电容滤波后产生300V直流高电压起动开关电源工作。并且重量轻、体积小，接线简单外围元件少。
该电路特点是利用三极管Q1，二极管D8及电阻R5、R6组成过低压保护电路，当输入电压降低到一定程度时，Q1导通，控制端C电位降低，TOP开关关闭，开关电源没有输出。
（1）输入电路 电网交流220V输入电压经桥式整流、电容滤波后产生300V直流高压起动开关电源工作。
（2）电源变换器部分 在该电路中，T2为高频变压器，其中
N1为初级绕组（35T）
N2为反馈绕组（15T）
N3为次级隔离输出绕组（7T）
开关电源工作后，反馈绕组N2经整流、滤波、限流后送至TOP开关控制极C，以调整TOP开关内部PWM占空比。当因某种原因如负载变轻引起输出电压升高时，N2电压将升高，即流入TOP开关控制端C的电流增加。在振荡电路的控制下，漏极端D有电流流入芯片，提供开环输入，该输入通过旁路调整器、误差放大器，由控制端进行闭环调整，经由PWM控制MOSFET的输出占空比，使其占空比线性减小，从而使输出电压下降，最后达到动态平衡，保持输出稳定。电路中并接于初级绕组N1两端的瞬态电压抑制二极管D5、电容C4及快速二极管D6组成钳位削峰电路。钳制电感放电脉冲的最高电位，减少漏感抗引起的漏极端电压畸变。在实际绕制高频电源变压器时，为了减小漏感的影响，可采用初级与次级相互交叉的绕制方法。同时，采用自我屏蔽作用较为良好的罐形磁芯，将线圈都用磁芯封在里边。
（3）反馈控制回路 电容C6决定软起动恢复时间，C6、R5、R4、C5、D7决定控制回路的零点。R4阻值过小，限流线性差，容易导致TOP开关损坏；过大则调整线性差。在实验中取值为10kΩ
（4）输出回路 N3、D10、C8、D11构成输出回路。肖特基势垒整流二极管D10对高频变压器次级的高频方波电压进行整流，经低ESR值的电解电容滤波及双向瞬态电压抑制二极管D11削峰稳压后，提供给负载电路。R7既可改善电源本身的输出阻抗，又能小幅度地调整输出电压的范围，同时又可在电源空载时为电容C8提供放电回路。R7取值为430Ω。
图1 12V/30W小功率开关电源原理图754