摘 要： 介绍了一种基于集成式开关电源芯片TOP256Y的反激式开关稳压电源。分析了TOP256Y的特性和工作原理，设计了一款功率50 W、输出+24 V的开关电源，并对系统开关电源实用电路及主要单元电路进行了详细的分析，进行了参数值计算、器件的选取与电路设计。最后，对该电源进行了整体性能分析。实验证明：该开关稳压电源具有效率高、纹波小、输出电压稳定等优点。
关键词： 开关电源；单端反激式；高频变压器
集成式开关电源由于具有单片集成化、最简外电路、最佳性能指标、无工频变压器、能完全实现电气隔离等显著特点，显示出强大的生命力，是开关电源的发展方向。目前，它已成为国际上开发300 W以下高效率中、小功率开关电源、精密开关电源、特种开关电源及电源模块的优选集成电路。本文介绍了由美国PI公司生产的TOP256Y型( TOPSwitch-HX系列)单片开关电源构成的24 V/50 W高频开关电源模块。 该开关电源模块可应用于直流无刷电机、仪器仪表等控制供电电源。
1 TOP256Y的主要性能特点和工作原理
1.1 性能特点
TOP256Y是TOPSwitch-HX系列中一款输出功率比大的芯片，其封装形式是TO-220-7C，TOPSwitch-HX以经济高效的方式将一个700 V的功率MOSFET、高压开关电流源、PWM控制器、振荡器、热关断保护电路、故障保护电路及其他控制电路集成在一个单片器件内。外围电路简单，电磁干扰小，成本低廉。由于芯片本身功耗很低，电源效率可达80%左右，最高可达90%。TOPSwitch-HX系列芯片使用了频率、电压监测和外部流限3个引脚，以实现一些新的功能。将如上引脚与源极引脚连接时，TOPSwitch-HX以类似TOPSwitch的三端模式工作。然而，在此种模式下，TOPSwitch-HX仍能实现如下多项功能而无需其他外围元件：
(1)完全集成的17 ms软启动，通过从低到高扫描限流点和频率以限制启动时的峰值电流和电压，可以显著降低或消除大多数应用中的输出过冲。
(2)最大占空比(DCMAX)可达78%，允许使用更小的输入存储电容，所需输入电压更低或具备更大输出功率能力。
(3)采用132 kHz的开关工作频率，可以减小变压器器和电源的尺寸，并对EMI没有显著影响。
(4)输入欠压(UV)检测可以防止关机时输出的不良波动，输入过压(OV)关断电路提高了对输入浪涌的耐受力。
(5)采用多模式工作，可以优化和提高整个负载范围内的电源效率，同时保持多路输出电源中良好的交叉稳压精度。
(6)迟滞过热关断功能确保器件在发生热故障时自动恢复。滞后时间较长可防止电路板过热。
(7)降低自动重启占空比和频率可以增强在开环故障、短路或电压失调状况下对电源和负载的保护能力。
1.2 工作原理
TOP256Y的内部框图如图1所示，主要包括以下部分：
(1)控制(C)引脚
控制引脚是提供供电和反馈电流的低阻抗节点。在正常工作期间，分路稳压器用来将反馈信号从供电电流中分离出来。控制引脚电压VC是控制电路(包括MOSFET栅极驱动在内)的供电电压。
(2)脉宽调制器
脉宽调制器通过驱动输出MOSFET来实现多模式控制，其占空比与流入控制脚超过芯片内部消耗所需要的电流成反比。
(3)误差放大器
并联调整器也可在初级反馈应用中用作误差放大器。并联调整器的电压由一个具有温度补偿的带隙基准提供。控制脚的动态阻抗ZC设置误差放大器的增益。
(4)可外部编程的片内流限
逐周期的峰值漏电流限制电路以MOSFET的导通电阻作为电流采样电阻。流限比较器将输出MOSFET导通状态下的漏-源极电压VDS(ON)与一个阈值电压相比较。漏电流太大将使VDS(ON)超过阈值电压并在下一个时钟周期开始前关断输出MOSFET。流限比较器的阈值电压采用温度补偿，使输出MOSFET的VDS(ON)随温度所产生的变化对流限的影响最小。
(5)输入欠压检测(UV)
在上电时，UV令TOP256Y在输入电压达到欠压阈值前保持关断；在断电时，UV防止它在输出失调后自动重启动。在断电时，UV防止它在输出失调后自动重启动。
(6)线电压过压关断(OV)
用于设置UV欠压阈值的电阻也用于设置过压保护的阈值，当超过阈值时就会立即强制TOP256Y关断开关(完成当前开关周期后)。如果此情况持续超过100 μs，TOP256Y输出将被强制进入关断状态。
(7)迟滞型或锁存型输出过压保护(OVP)
迟滞型或锁存型输出过压保护(OVP)的检测是都是通过触发输入过压阈值来实现的。V引脚的电压将下降0.5 V，控制器会在电压下降后立即测量外部所连阻抗。如果IV或IM超过IOV(LS)(典型值为336 μA)100 μs以上，TOP256Y将永久关断，即锁存型OVP。只有在VV或VM低于1 V，或者VC低于上电复位阈值(VC(RESET))时，它才会复位并恢复正常。
(8)降低DCMAX的线电压前馈
设置UV和OV的电阻同时也用于产生线电压前馈，使输出纹波最小并减小了输入电压瞬态变化时对输出的影响。值得注意的是，对于相同的控制脚电流，更高的线电压会使占空比更小。
(9)远程开/关
TOP256Y可通过控制流入电压监测引脚或流出外部流限引脚来接通或关断。另外，电压监测引脚上连有1 V的输入阈值比较器，此电压阈值也可用于实现远程开/关控制。
(10)迟滞过热保护
TOP256Y由精密的模拟电路提供温度保护，当结温超过热关断温度(典型值140 ℃)时，该电路就关断输出MOSFET，当结温冷却到迟滞温度以下时，自动恢复并重新正常工作。
(11)带隙基准
TOP256Y内部所有的关键电压均来自于一个具有温度补偿的带隙基准。此基准电压用于产生所有其他内部电流基准，经调整此电流基准能精确设定开关频率、MOSFET栅极驱动电流、流限和线路OV/UV/OVP阈值。
(12)高压偏置电流源
在启动或迟滞模式工作时，高压电流源从漏极引脚输入，为TOP256Y器件提供偏置，并对控制脚的外接电容充电。在自动重启动、远程关断和过热关断时，器件进入迟滞工作模式。
2 设计实例
图2是用TOP256Y芯片设计的单端反激式开关电源的原理图。输入为交流220 V(±15%)，输出为直流+24 V，功率为 48 W。由于TOPSwitch-HX芯片集成度高，设计工作主要是外围电路的设计。外围电路基本分为输入整流滤波电路、高频变压器、箝位保护电路、欠压过压保护电路、外部流限保护电路、输出整流滤波电路及反馈电路 7 部分。
2.1 输入整流滤波电路设计
输入整流滤波电路包括交流滤波、整流部分和整流滤波电容。交流滤波采用∏型滤波电路，具体参数如下：去除差模干扰的C1、C2为0.33 μF/275 V；去除共模干扰的C3、C4为22 nF/250 V； 滤波电感T1为20 mH。整流电路是由4只二极管组成的整流桥，整流二极管的反向耐压应大于400 V，其承受的冲击电流应大于额定整流电流的5～6倍，选定的整流二极管的稳态电流容量应为计算值的两倍。
本设计中，选用4个IN5408整流二极管构成整流桥。在220V AC(±20%)的供电条件下，电容C5的值可根据输出功率按照2 μF/W来取值，再考虑余量后，取100 μF/400 V。
2.2 高频变压器设计
单端反激式开关电源的高频变压器磁芯只工作在磁滞回线的第一象限。在开关管导通时只储存能量，而在截止时向负载传递能量。因此，它既是变压器又是储能电感，具体设计如下：
(8)确定导线线径
设计中初级绕组和反馈绕组用线径0.31 mm的导线单股绕， 次级绕组用线径为0.44 mm的导线双股并绕。
2.3 箝位保护电路设计
当TOP256Y的功率MOSFET管由导通变为截止时，在高频变压器T2的初级绕组上会产生尖峰电压和反射电压，其中尖峰电压是由于高频变压器存在漏感而形成，直流高压和反射电压叠加后很容易损坏MOSFET管。因此，必须设计箝位保护电路，对尖峰电压进行箝位和吸收。
图2中VD1和VD2构成的箝位电路可防止高压对TOP256Y的损坏，VD1与VD2的选择由反射电压VOR决定。VOR一般取135 V，VD1箝位电压 VCLO可取1.5倍VOR，VD2的耐压值应大于最大直流输入电压VDCmax。
本设计中VD1采用反向击穿电压为200 V的TVS(瞬态电压抑制器)P6KE200A，VD2采用反向耐压为600 V的超快恢复二极管FR107。
2.4 欠压过压保护电路设计
通过在V引脚与直流电压间连接一个4 MΩ的阻抗来实现线电压检测。如果直流输入电压升至400 V以上，在电压恢复正常值前TOP256Y将停止工作，以防止器件的损坏。如果直流输入电压低于100 V, 在输入电压达到欠压阈值前TOP256Y保持关断；在断电时，防止它在输出失调后自动重启动。
2.5 外部流限保护电路
电阻R1、R2和R3用来限制输出功率，这样可以在输入电压波动时维持相对恒定的过载功率。
2.6 输出整流滤波电路的设计
输出整流滤波电路由整流二极管和滤波电容构成。输出整流二极管的开关损耗占系统损耗的15%以上，是影响开关电源效率的主要因素，它包括正向导通损耗和反向恢复损耗。由于肖特基二极管反向恢复时间短，在降低反向恢复损耗以及消除输出电压中的纹波方面有明显的性能优势，所以选用肖特基二极管作为整流二极管。选取的依据是最大反向峰值电压。次级绕组的反向峰值电压VSM按1.5倍VO选取。
对输出滤波电容，选用100 μF/50 V铝电解电容。输出滤波电感采用6×8的工形磁芯绕制，用线径 0.31 mm的导线单股绕，电感值约8 mH。为减少共模干扰，在输出的地与高压侧的地之间接共模抑制电容，如图2中的C13。
2.7 反馈回路的设计
为了满足负载变化较大时的供电要求，提高输出电压的稳定度，设计采用了可调式精密稳压器TL431加线性光耦TLP521构成反馈回路，电路如图2所示。电压采样及反馈电路由光耦TLP521、TL431及与之相连的阻容网络构成。
其控制原理如下：输出电压经R10、R11分压后得到采样电压，此采样电压与TL431提供的2.5 V参考电压进行比较，当输出电压正常(24 V)时，采样电压与TL431提供的2.5 V参考电压相等则TL431的K极电位不变，流过光耦二极管的电流不变，光耦CE的电压不变，TOP256Y的C脚电位稳定，输出驱动的占空比不变，输出电压稳定在设定值不变。当输出24 V电压因为某种原因偏高时，经分压电阻R10、R11分压值就会大于2.5 V，则TL431的K极电位下降，流过光耦二极管的电流增大，则流过光耦CE的电流也增大，TOP256Y的C脚电位下降，占空比下降，输出电压降低，这样就完成了反馈稳压的作用。R9与R10是用于控制环路的补偿。C12主要是用于软启动保护，确保输出电压在满载条件下及低电压启动时保持稳定。
为了使反馈回路可靠工作，根据TLP521的技术手册，二极管的正向电流If在2 mA左右时，集射电压在很宽的范围内线性变化。因此一般选TLP521二极管正向电流If为2 mA。从TL431的技术手册可知，阴极工作电压UK的允许范围为2.5～36 V，工作电流IK在1～100 mA内变化，一般选10 mA即可。
3 设计验证
按照以上分析得到的参数设计了一款基于TOP256Y的反激式开关电源，电路原理图如图2。经过相关测试，该电源在满载状态时，最大占空比为0.6，电源效率为82%。
集成开关电源芯片的应用克服了以往开关电源设计中外围元件和辅助电路复杂等问题，使开关电源高效化、模块化，并减小了电源的体积。本文采用TOP256Y 研制了一款新型开关电源，给出了外围电路各部分的详细设计方法，并进行了参数计算。通过实测结果分析，验证了理论的可行性。具有较强的适用性。
参考文献
[1] 沙占友.新型单片开关电源的设计与应用.北京：电子工 业出版社，2001.
[2] 刘胜利.现代开关电源实用技术.北京：电子工业出版社，2001.
[3] 沙占友.单片开关电源最新应用技术.北京：机械工业出 版社，2002.
[4] 普莱斯曼.开关电源设计[M].第2版.王志强，译.北京： 电子工业出版社，2005.(收稿日期：2009-02-16)