TOP223Y开关电源设计.docx

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TOP223Y开关电源设计

多路输出式单片开关电源的电路设计

（单片开关电源技术讲座之三）

河北科学大学沙占友庞志锋武卫东（石家庄050054）

摘要：

单片开关电源是国际上90年代才开始流行的新型开关电源芯片。

本文阐述其多路输出式电路设计方法。

关键词：

单片开关电源多路输出电路设计

中图法分类号：

TN86文献标识码：

A文章编号：

0219－2713（2000）10－545－04

许多家电产品（如电视机、机顶盒解码器、录像机）都需要由多路稳压电源来供电。

在电子仪器、自控装置中也要给各种模拟与数字电路提供多路电源。

利用单片开关电源可实现多路电压输出。

下面通过一个典型实例来详细介绍多路输出式开关电源的优化设计。

1电路设计方案

1．1确定多路输出的技术指标

假定要设计的开关电源具有三路输出：

主输出UO1（5V，2A，10W）,辅助输出为UO2（12V，1.2A，14.4W）和UO3（30V，20mA，0.6W）。

总输出功率为25W。

技术指标详见表1。

各路输出的稳压性能对于电路结构和高频变压器的设计至关重要。

通常，主输出的稳定性要高于辅助输出。

现将＋5V作为主输出，专门供CMOS，TTL数字电路使用，其负载调整率SI≤±1％，其余两路优于±5％。

1．2确定反馈电路

多路输出的反馈电路有四种类型：

基本反馈电路；改进型基本反馈电路；配稳压管的光耦反馈电路；配TL431的光耦反馈电路。

以第四种电路的稳压性能为最佳。

利用表2可选定反馈电路。

需要指出，多路输出要比单路输出的SI值高，并且主输出指标优行辅助输出。

表2可供多路输出选择的四种反馈电路

反馈电路类型

负载调整率

电路说明

主输出

辅助输出

基本反馈电路

±5％

≥10％

在输出端并联一只稳压管，可改善轻载时的负载调整率。

改进型基本反馈电路

±2.5％

≥10％

在反馈电路中增加稳压管和电容。

配稳压管的光耦反馈电路

±2％

≥5％

由稳压管提供参考电压。

配TL431的光耦反馈电路

±1％

≤5％

由TL431提供高稳定度的参考电压，主输出作为主要反馈信号，其余各路输出按一定比例反馈。

（1）基本反馈电路是利用反馈绕组间接获取输出电压的变化信号，因此不需要使用光耦合器。

该方案的电路最为简单，但开关电源的稳定性不高，难于把负载调整率SI降至±5％以下。

若仅为改善轻载时的负载调整率，可在输出端并联一只合适的稳压管，使其稳定电压UZ=U01，此时轻载下的SI<±5％。

（2）改进型（亦称增强型）基本反馈电路其特点是在反馈电路中串联一只22V的稳压管，再并联一只0.1μF电容器。

主输出

辅助输出

总输出功率PO

第1路

第2路

第3路

UO1（V）

IO1（A）

PO1（W）

UO2（V）

IO2（A）

PO2（W）

UO3（V）

IO3（mA）

PO3（W）

＋5（±5％）

0.4～2.0

＋12（±10％）

0.12～1.20

14.4

＋30（±10％）

10～20

0.6

25W

表1多路输出的技术指标

图1多路输出式25W开关电源的电路

（3）配稳压管的光耦反馈电路它是利用一只稳压管的稳定电压作为次级参考电压。

由稳压管的稳定电压（UZ）、光耦合器中LED的正向压降（UF）和用于控制环路增益的串联电阻R1上的压降（UR1）这三者之和，来决定输出电压值。

当UZ的偏差小于2％时，能将主输出的负载调整率控制在±2％以内，该电路的缺点是参考电压的稳定度不高，并且只对主输出进行反馈，其他各路辅助输出未加反馈，因此辅助输出的电压稳定性较差。

（4）配TL431的多路输出光耦反馈电路其特点是：

　　①利用TL431型可调式精密并联稳压器构成次级误差电流放大器，再通过光耦合器对主输出进行精确的调整；

　　②除主输出作为主要的反馈信号之外，其他各路辅助输出也按照一定比例反馈到TL431的2.50V基准端，这对于全面提高多路输出式开关电源的稳压性能具有重要意义，也是单片开关电源的一项新技术。

1．3设计开关电源电路

根据上述原则设计成的多路输出式25W开关电源的电路，如图1所示。

该电路采用一片TOP223Y型三端单片开关电源，交流输入电压范围是85V～265V。

高频变压器的次级有3个独立绕组，仅在主输出端（＋5V）设计了带TL431的光耦反馈电路。

多路输出式开关电源有两种工作方式：

（1）不连续模式（DCM），其优点是在同等输出功率的情况下，高频变压器能使用尺寸较小的磁芯；

（2）连续模式（CCM），其优点是能提高TOPSwitch的利用率。

多路输出式开关电源一般选择连续方式，因高频变压器尺寸不再是重要问题，此时需关注的是多个次级绕组如何与印制电路实现最佳配合。

2多路输出式高频变压器的设计

高频变压器采用EE29型铁氧体磁芯，其有效磁通面积SJ=0.76cm2。

留出的磁芯气隙宽度δ=0.38mm。

骨架有效宽度为26mm。

初级绕组采用0.3mm漆包线绕77匝，反馈绕组用0.3mm漆包线绕9匝。

次级绕组有两种绕制方法，一种是分离式绕法，

图2次级绕组的两种绕制方法

（a）分离式绕法（b）堆叠式绕法

另一种是堆叠式绕法。

表3列出二者的优缺点，可供

表3次级绕组两种绕法的比较

绕制方法

优点

缺点

分离式绕法

排列具有灵活性，可将输出电流较大的某一路输出靠近初级，能把漏感引起的能量损失减至最小。

1因漏感较大，在输出滤波电容上会产生峰值充电效应，导致轻载下的负载调整率变差。

2制造成本较高。

3骨架上的引脚较多（共6个）。

堆叠式绕法

1能加强磁耦合。

2能改善轻载时的稳压性能。

3骨架上的引脚较少（仅4个）。

4制造成本低。

1电压最低（或最高）的绕组须靠近初级。

2为降低大电流时的漏感缺乏灵活性。

参考。

图2分别示出它们的结构。

分离式的每个绕组上仅传输与该路特定负载有关的电流。

因3个次级绕组互相独立，故在确定各绕组的排列顺序上有一定灵活性。

现考虑到5V（2A）和12V（1.2A）输出绝大部分的功率，因此可将这两个绕组中的一个靠近初级。

最佳排列顺序是先绕5V，再绕12V，最后绕30V，使次级各绕组之间耦合最好，漏感最小。

反之，若将30V绕组紧靠初级，由于5V及12V漏感较大，就会降低电源效率，并且增加干扰。

堆叠式绕法是变压器生产厂家经常采用的方法。

其特点是由5V绕组给12V绕组提供部分匝数及接地端；而30V绕组中则包含5V、12V绕组和新增加的匝数。

各绕组的线径必须满足该路输出电流与其他路输出流过它上面电流总和的要求。

堆叠式绕法的技术先进，不仅能节省导线，减少绕组体积和降低成本，还可增加绕组之间的互感量，加强耦合程度。

举例说明，当5V输出满载，而12V和30V输出轻载时，由于5V兼作12V、30V的一部分，因此能减小这些绕组的漏感，可以避免因漏感使12V和30V输出电路中的滤波电容被尖峰电压充电到峰值（亦称峰值充电效应），而引起输出电压不稳定。

堆叠式绕法的不足之处是在确定哪个次级绕组靠近初级时，灵活性较差。

现将5V绕组作为次级绕组的始端。

在绕制时，特别推荐将多股导线并联后平行绕在骨架上。

这样，能保证良好的覆盖性，增强初级与次级的耦合程度。

在计算次级各绕组的匝数时，可取相同的“每伏匝数”。

每伏匝数Nv由下式确定：

（1）

单位是“匝数/V”。

将NS=4匝，UO1=5V，UF2=0.4V（肖特基整流管压降）代入上式得到，Nv=0.74匝/V。

由此可计算其他绕组的匝数。

对于12V输出，已知UO2=12V，UF2=0.7V（快恢复整流管压降），因此N12=0.74匝/V×（12V＋0.7V）=9.4匝。

实取9匝。

对于30V输出，因UO3=30V，UF3=0.7V（硅整流管压降），故N30=0.74匝/V×（30V＋0.7V）=22.7匝。

实取22匝。

在选取输出整流管的参数时，应遵循以下原则：

管子的额定工作电流（IF）至少为该路最大输出电流的3倍；管子的最高反向工作电压（URM）必须高于最低耐压值（UR）。

根据上述原则所选输出整流管的型号及参数，见表4。

由表可见，所选整流管的技术指标均留有一定的余量。

表4各路输出整流管的选择

输出电压

规定指标

整流管型号与参数

最大输出电流（A）

最低耐压（V）

型号

IF（A）

VRM（V）

2.0A

30V

MBR745

7.8A

45V

12V

1.2A

70V

MUR420

4.0A

200V

30V

20mA

170V

UF4004

1.0A

400V

3多路输出单片开关电源的改进方案

图1所示开关电源电路，仅从5V主输出上引出反馈信号，其余各路未加反馈电路。

这样，当5V输出

图3由5V和12V输出同时提供反馈的电路

图4改进前后负载特性曲线的比较

的负载电流发生变化时，会影响12V输出的稳定性。

解决方法是给12V输出也增加反馈，电路如图3所示。

在12V输出端与TL431的基准端之间并上电阻R6，并将R4的阻值从10kΩ增至21kΩ。

由于12V输出亦提供一部分反馈信号，因此可改善该路的稳定性。

在改进前，当5V主输出的负载电流从0.5A变化到2.0A（即从满载电流的25％变化到100％）时，12V输出的负载调整率SI=±2％；经改进后，SI=1.5％。

改进前后的负载特性曲线如图4所示。

下面介绍12V输出的反馈电路设计方法。

12V输出的反馈量由R6的阻值来决定。

假定要求12V输出与5V输出的反馈量相等，各占总反馈量的一半，即反馈比例系数K=50％。

此时通过R6、R4上的电流应相等，即IR6=IR4。

TL431的基准端电压UREF=2.50V。

改进前，全部反馈电流通过R4，因此

改进后，50％的电流从R6上通过，即IR6=250μA/2=125μA。

R6的阻值由下式确定：

（2）

将UO2=12V，UREF=2.50V,IR6=125μA代入

（2）式中得到R6=76kΩ，可取标称阻值75kΩ。

由于IR4已从250μA减至125μA，因此还须按下式调整R4的阻值：

（3）

将UO1=5V，UREF=2.50V,IR4′=125μA代入（3）式中得到，R4=20kΩ。

考虑到接上R6之后，5V输出的稳定度会略有下降，应稍微增大R4阻值以进行补偿，实取R4=21kΩ。

需要说明两点：

　　①K≠50％时，可按下式计算R6阻值

（4）

②参照上述方法还可以给30V输出增加反馈电路。

作者简介

沙占友男1944年9月生，河北科技大学教授，已出版专著14部，发表论文110余篇。

主要研究方向为数字化测量技术、仪器仪表及特种电源。

收稿日期：

2000.6.6

定稿日期：

2000.8.17

TOPSwitch单片开关电源的原理与应用

[编者按]虑及当前电源技术的发展，单片型开关电源已开始流行，并且具有强大的生命力，为此我们特邀国内著名科技图书作者沙占友教授等撰写这篇讲座稿，计划连载5期，以飨读者。

本文也是本刊今年第6期P.271《集成稳压器的应用技术》讲座的继续。

（单片开关电源技术讲座之一）

河北科技大学沙占友张英黄丽敏（石家庄050054）

摘要：

三端单片开关电源是目前国际90年代才开始流行的新型开关电源芯片。

本文阐述其性能特点、工作原理及两种典型应用电路。

关键词：

单片开关电源脉宽调制误差放大器光耦反馈

ThePrincipleandApplicationofTOPSwitch

SinglechipSwitchingPowerSupplyAbctract:

Threeendssinglechipswitchingpowersuplyisanewtypeswitchingpowersupplycorewhichhasbeenpopularsince1990.Thispaperintroducespropertiesandprincipleofthecoreaswellastwotypesofapplicationalcircuit.

Keywords:

Singlechipswitchingpowersupply,PWM,Erroramplifler,Opticalcourling,Feedback

中图法分类号：

TM94文献标识码：

A文章标号：

02192713（2000）0842404

　　单片开关电源具有单片集成化、最简外围电路、最佳性能指标、能构成无工频变压器开关电源等显著优点。

美国动力（Power）公司在世界上率先研制成功的三端隔离式脉宽调制单片开关电源集成电路，被誉为“顶级开关电源”。

其第一代产品以1994年推出的TOP100／200系列为代表，第二代产品则是1997年问世的TOPSwitch－Ⅱ。

上述产品一经问世便显示出强大的生命力，它极大地简化了150W以下开关电源的设计和新产品的开发工作，也为新型、高效、低成本开关电源的推广与普及创造了良好条件，可广泛用于仪器仪表、笔记本电脑、移动电话、电视机、VCD和DVD、摄录像机、手机电池充电器、功率放大器等领域，并能构成各种小型化、高密度、在价格上能与线性稳压电源相竞争的AC／DC电源变换模块。

1产品分类及性能特点

1.1产品分类

TOPSwitch包括TOP100系列（TOP100Y～TOP104Y），TOP200系列（TOP200Y～TOP202Y，TOP214Y），TOP209／210系列，TOPSwitch－Ⅱ系列（TOP221～TOP227）。

TOPSwitch－Ⅱ与第一代产品相比，它不仅在性能上进一步改进，而且输出功率得到显著提高，现已成为国际上开发中、小功率开关电源及电源模块的优选集成电路，其产品分类见表1。

表1TOPSwitch－Ⅱ的产品分类及最大输出功率POM单位：

TO－220封装（Y）

DIP－8封装（P）/SMD－8封装（G）

产品型号

固定输入（110/115/230V,AC,±15％）

宽范围输入（85V～265V,AC）

产品型号

固定输入（110/115/230V,AC,±15％）

宽范围输入（85V～265V,AC）

TOP221Y

TOP221P/221G

TOP222Y

TOP222P/222G

TOP223Y

TOP223P/223G

TOP224Y

TOP224P/224G

TOP225Y

100

TOP226Y

125

TOP227Y

150

1.2性能特点

⑴将脉宽调制（PWM）控制系统的全部功能集成到三端芯片中。

内含脉宽调制器、功率开关场效应管（MOSFET）、自动偏置电路、保护电路、高压启动电路

图1TOPSwitch的管脚排列

（a）TO－220封装（b）DIP－8封装和SMD－8封装

图2TOPSwitch－Ⅱ的内部结构

和环路补偿电路，通过高频变压器使输出端与电网完全隔离，真正实现了无工频变压器、隔离式开关电源的单片集成化，使用安全可靠。

⑵输入交流电压和频率的范围极宽。

作固定电压输入时可选110V／115V／230V交流电，允许变化±15％；在宽电压范围输入时，适配85V～265V交流电，但POM值要比前者降低40％。

⑶TOPSwitch－Ⅱ只有3个引出端，可以同三端线性集成稳压器相媲美，能以最简方式构成无工频变压器的反激式普通型或精密型开关电源。

开关频率的典型值为100kHz，允许范围是90kHz～110kHz，占空比调节范围是1.7％～67％。

⑷外围电路简单，成本低廉。

芯片本身功耗很低，电源效率可达80％左右。

2TOPSwitch的工作原理

TOPSwitch的管脚排列如图1所示。

它有三种封装形式。

其中，TO－220封装有3个引脚。

DIP－8封装及SMD－8封装各有8个引脚，但均可简化成3个。

这3个管脚分别为控制端C，源极S，漏极D。

控制端有4个作用：

　　利用控制电流IC的大小来调节占空比D；

　　为芯片提供正常工作所需的偏流；

决定自动重启动的频率；

对控制回路进行补偿。

TOPSwitch－Ⅱ的内部框图如图2所示。

主要包括10部分：

　　控制电压源（由控制电压UC向并联调整器和门驱动级提供偏压，而控制端电流IC则能调节占空比）；

　　带隙基准电压源（给内部提供各种基准电压）；

　　振荡器（产生锯齿波（SAW）、最大占空比信号（Dmax）和时钟信号（CLOCK））；

　　并联调整器／误差放大器；

　　脉宽调制器（通过改变控制端电流IC的大小，连续调节脉冲占空比，实现脉宽调制并能滤掉开关噪声电压）；

　　门驱动级和输出级（内含耐压为700V的功率开关管MOSFET）；

　　过流保护电路（利用MOSFET的漏－源通态电阻RDS（ON）来检测过电流，当ID过大时令MOSFET关断，起到过流保护作用）；

　　过热保护及上电复位电路（当芯片结温Tj>135℃，关断输出级）；

　　关断／自动重启动电路（当调节失控时，立即使芯片在低占空比下工作。

倘若故障已排除，就自动重新启动电源恢复正常工作）；

　　高压电流源（提供偏流用）。

　　TOPSwitch－Ⅱ的工作原理是利用反馈电流IC来调节占空比D，达到稳压目的。

举例说明，当输出电压UO↑时，经过光耦反馈电路使得IC↑→D↓→UO↓,最终使UO不变。

3单片开关电源的典型应用

3.1由TOP202Y构成的7.5V，15W开关电源

7.5V，15W开关电源电路如图3所示。

其交流输入电压范围Ui=85V～265V,AC，输入电网频率f=47Hz～440Hz，电压调整率SV=±0.5％,负载调整率SI=±1％，电源效率达80％，输出纹波电压的最大值为±50mV。

该电源采用带稳压管（VDZ2）的光耦反馈工作方式。

电路中共使用两片集成电路，IC1为TOP202Y型单片开关电源，IC2是日本产NEC2501－H型线性光耦合器。

FU为3A/250V保险管。

C6与L2构成交流输入端的电磁干扰（EMI）滤波器。

C6能滤除由初级脉动电流产生的串模干扰，L2可抑制初级绕组中产生的共模干扰。

C7和C8为安全电容，能滤除由初、次级绕组之间耦合电容所产生的共模干扰。

宽范围电压输入时，85V～265V交流电经过整流器BR、C1整流滤波后，获得直流输入电压Ui。

由VDZ1和VD1构成的漏极钳位保护电路可将由高频变压器漏感产生的尖峰电压钳位到安全值以下，并能减小振铃电压。

VDZ1选用P6KE150型瞬态电压抑制器（TVS），其钳位电压为150V，钳位时间仅1ns，峰值功率是5W。

VD1需采用UF4005型1A/600V的超快恢复二极管（FRD），其反向恢复时间trr=30ns。

次级电压经VD2，C2，L1，C3整流滤波后产生＋7.5V的输出电压。

R2和VDZ2与输出端并联，构成开关电源的假负载，可提高空载或轻载时的负载调整率，反馈绕组电压经过VD3整流、C4滤波后，得到反馈电压，再经过光敏三极管给TOP202Y提供一个偏置电压。

VD2选择UGB8BT型超快恢复二极管，为降低功耗，

图37.5V，15W开关电源的电路

图415V，30W精密开关电源的电路

还可选肖特基二极管。

光耦合器IC2和稳压管VDZ2还构成了TOP202Y的外部误差放大器，能提高稳压性能。

当输出电压UO发生变化时，由于VDZ2具有稳压作用，就使光耦中LED的工作电流IF发生变化，进而改变TOP202Y的控制端电流IC，再通过调节输出占空比，使UO保持稳定，这就是其稳压原理。

R1为LED的限流电阻，并能决定控制环路的增益。

C5是控制端旁路电容，除对环路进行补偿之外，还决定着自动重启动频率。

高频变压器选用EE22型铁氧体磁芯，图3中的NP，NS和NB分别代表初级、次级、反馈绕组的匝数。

初级电感量LP=620μH±10％，漏感量LP0≤11μH。

3.2由TOP224Y构成的15V，30W精密开关电源

其电路如图4所示。

与图3相比，它在电路上主要作了两处重要改进：

第一，为获得30W的连续输出功率，将TOP202Y换成TOP224Y，后者在宽范围电压输入时的最大输出功率可达到45W。

第二，给TOP224Y配置了外部误差放大器—TL431型可调式精密并联稳压器，内部包含2.50V基准电压源、误差放大器和开关式晶体管驱动器，能直接检测输出电压的变化量，并进行精确的调整。

输出电压UO经R4，R5分压后得到取样电压，与TL431内部2.50V基准电压源进行比较之后，输出误差电流信号，再通过NEC2501型光耦合器流入TOP224Y的控制端，直接控制输出占空比，获得稳定电压输出。

改变电阻R4与R5的分压比，可以调整输出电压的标称值。

控制环路的频率响应由R3，C5的大小所决定。

R3的阻值范围是6.2Ω～15Ω。

该电源的峰值输出功率为60W。

电压调整率和负载调整率均为±0.2％，几乎可同线性稳压电源相媲美，而其电源效率可达84％，比线性稳压电源提高近一倍。

参考文献

1Power公司.产品手册.1997～2000

2沙占友.单片开关电源的发展及其应用.电子技术应用，2000.

（1）

3沙占友.新型特种集成电源及应用.北京：

人民邮电出版社，1998

作者简介

沙占友男1944年9月生，河北科技大学教授，已出版专著14部，发表论文116篇。

主要研究方向为数字化测量技术、仪器仪表及特种电源。

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