探討如何設(shè)計(jì)新型高功率單片開關(guān)模塊電源
1、功用特色與技能指標(biāo)
單片開關(guān)電源是國(guó)際上90年代才開端流行的新式開關(guān)電源芯片，但早期的單片開關(guān)電源芯片普遍運(yùn)用于低功率的開關(guān)穩(wěn)壓電源。第三代單片開關(guān)電源TOP GX系列IC是美國(guó)功率集成公司于2000年頭推出的新式高功率單片開關(guān)電源芯片，它除了堅(jiān)持TOP?SwitchⅡ的根本特性外，即在單一CMOS芯片上集成了功率MOSFET、PWM操控器、毛病檢查及其它操控電路外，還集成了許多內(nèi)置的以及用戶可裝備的功用；在單電壓輸入時(shí)的最大輸出功率進(jìn)步到250W，電磁兼容功用也得到較大的進(jìn)步。第三代單片開關(guān)電源TOP GX系列IC的主要功用特色與技能指標(biāo)是：
（1）TOPSwitch GX系列新增了如下內(nèi)置功用：
①軟起動(dòng)：其作用是下降開啟時(shí)的超調(diào)以及對(duì)元器材的沖擊；
②頻率抖動(dòng)：下降EMI的峰值；
③較高的占空比允許更大的輸出功率和運(yùn)用較小的輸入濾波電容；
④零負(fù)載調(diào)節(jié)才能，輕載時(shí)很高的功率使得待機(jī)時(shí)的功耗很低；
⑤滯后過熱關(guān)斷使器材可主動(dòng)毛病康復(fù)。
（2）TOPSwitch GX系列還增設(shè)了用戶可裝備的引腳，用于檢查電網(wǎng)過、欠壓，外部設(shè)置電流約束以及兩種開關(guān)頻率（132kHz和66kHz）的挑選。電網(wǎng)欠壓維護(hù)、過壓關(guān)斷，以及經(jīng)過電路反應(yīng)電壓的取樣以下降輸出紋波和在高輸入電壓時(shí)最大限度地減小占空比。經(jīng)過外部電流約束引腳能夠精確地減小功率MOSFET的電流，廉價(jià)地完成高功率。
（3）別的TOPSwitch GX系列還選用節(jié)約能源的ECOSMART技能，該技能特別在待機(jī)及電源無(wú)負(fù)載條件下能夠節(jié)約能源。下降能耗的功用包括長(zhǎng)途ON/OFF功用，即經(jīng)過遙控的方法操控電源的開閉，亦可完成外同步；在低負(fù)載時(shí)主動(dòng)下降作業(yè)頻率。這些功用已超越美國(guó)“ENERGYSTAR”的標(biāo)準(zhǔn)。
因?yàn)門OPSwitch GX系列具有以上許多特色，因此可廣泛用于中、低功率的開關(guān)穩(wěn)壓電源中。它不只電路簡(jiǎn)略，并且可靠性高，故在中、低功率電子設(shè)備中有著廣泛的運(yùn)用遠(yuǎn)景。
2、管腳功用
TOPSwitch GX系列的管腳擺放如圖1所示，該系列有Y封裝和P、G封裝兩種構(gòu)造。從圖上看出：關(guān)于Y封裝的TOPSwitch?GX系列，其D、C、S管腳與原TOPSwitch系列開關(guān)命名相同，分別為漏極、操控極和源極，新添加的L、X、F管腳的功用如下：
L：為輸入電壓的欠壓與過壓檢查端，一起還具有長(zhǎng)途遙控功用。如圖2所示，若L端與輸入電壓正端接入2MΩ的電阻，則欠壓維護(hù)值為：
Vuv=Iuv×RL=100V（1）
過壓維護(hù)值為：
Vov=Iov×RL=450V（2）
此外L端還具有長(zhǎng)途遙控功用，只要在L、C端之間加一個(gè)三極管或光電耦合器即可完成長(zhǎng)途遙控功用。
X：為外部電流設(shè)定調(diào)整端。在X端與源極之間接入不一樣的電阻值，則開關(guān)電流即限定為不一樣的數(shù)值。若R2=12kΩ，則流過開關(guān)的電流被設(shè)定為額定值的69％；若R2=6kΩ，為額定值的90％；若R2=25kΩ，為額定值的43％。可見，當(dāng)R2值增大時(shí)，則開關(guān)允許流過的電流要減小。
F：為開關(guān)頻率挑選端。當(dāng)F端接到源極時(shí)，其開關(guān)頻率為132kHz，當(dāng)接到操控端時(shí)，其開關(guān)頻率為66kHz。
此外，TOPSwitch GX系列也能夠當(dāng)通常的三端TOP器材運(yùn)用，此刻只要將L、X、F端一起與源極相接即可。但此刻新增用戶可裝備的功用悉數(shù)喪失。
關(guān)于P、G封裝的TOPSwitch GX系列開關(guān)都沒有X、F端，而新增M端，其功用與Y封裝中的L端功用相同。
3 120W、24V開關(guān)電源模塊的電路規(guī)劃
3.1 規(guī)劃請(qǐng)求
（1）輸入電壓：85V～265VAC，50Hz；
（2）輸出電壓：16V～24VDC；
（3）輸出電流：5.0A；
（4）電網(wǎng)調(diào)整率：±1％。
3.2 規(guī)劃過程
依據(jù)規(guī)劃請(qǐng)求，現(xiàn)以圖4上的原理圖來(lái)闡明規(guī)劃過程。
（1）器材挑選
依據(jù)規(guī)劃請(qǐng)求挑選TOP248Y作為開關(guān)器材。這時(shí)TOP248Y作業(yè)在輸出功率的上限，電流設(shè)定在最大值，行將X端直接與源極相連。而過壓值設(shè)定在450VDC，若輸入電壓超越此值，則TOPSwitch?GX將自行關(guān)斷，直到輸入電壓康復(fù)正常值，TOPSwitch?GX又自行康復(fù)發(fā)動(dòng)。頻率挑選端F也與源極直接相連，此刻開關(guān)作業(yè)頻率設(shè)定在132kHz。
（2）脈沖變壓器的規(guī)劃請(qǐng)求
脈沖變壓器的初級(jí)電感（即勵(lì)磁電感）Lm中的電流與電壓的聯(lián)系近似為：Im=×τ（3）
式中：UO為初級(jí)電感兩頭的電壓；
τ為開關(guān)脈沖寬度。
由式（3）可知：脈沖變壓器的初級(jí)電感值要恰當(dāng)，通常在300μH到3000μH之間。輸出功率大的狀況應(yīng)取低限；反之則取上限。變壓器初級(jí)電感不能太小，太小會(huì)形成TOPSwitch?GX系列中MOSFET的漏極電流太大，使開關(guān)損耗添加，一起易形成過流維護(hù)動(dòng)作，使電源難以發(fā)動(dòng)。相同初級(jí)電感也不能太大，太大則不能滿意輸出功率的請(qǐng)求。
（3）電源次級(jí)電路的規(guī)劃
次級(jí)電路主要是挑選整流管和濾波電容。整流管的挑選應(yīng)依據(jù)輸出電流和電壓，其最大值的挑選為：
IRLCmax2IO=2×5=10A（4）
VRLCmax （5）
n=×Dmin （6）
式中：VO為輸出電壓；IO為輸出電流；Vinmax為最大輸入直流電壓；Dmin為開關(guān)的最小占空比；n為脈沖變壓器的變比。
將Vinmax=375V；VO=24V；Dmin=0.18代入式(6)得到脈沖變壓器的變比為:n≈4
此刻脈沖變壓器的初級(jí)勵(lì)磁電流為:Im==1.25A (7)
此值遠(yuǎn)小于TOP248Y的漏極電流（7.2A）。
電源次級(jí)整流管在低輸出電壓的狀況下，通常選用肖特基二極管，用來(lái)減小二極管的損耗。當(dāng)輸出電壓較高時(shí)，則需求選用快康復(fù)二極管（如圖4中D2）；當(dāng)開關(guān)頻率較高時(shí)，應(yīng)選用超快康復(fù)二極管作整流管，以減小其反向電流對(duì)初級(jí)的影響。
濾波電容C7的容量應(yīng)滿意輸出電壓紋波的請(qǐng)求，L1及C8應(yīng)能有效地濾除開關(guān)所發(fā)生的噪聲影響。
（4）反應(yīng)調(diào)整電路的規(guī)劃
反應(yīng)調(diào)整電路選用光耦和可調(diào)三端穩(wěn)壓器TL431構(gòu)成的調(diào)整電路，如圖4電路中的VR2、R5、R7、R10、R11和R6構(gòu)成的輸出電壓調(diào)整電路。R5作為光耦的限流電阻，并不能影響電路的檢查環(huán)路的增益。在起動(dòng)剎那間，檢查光耦輸出電流，然后改動(dòng)操控端C的電流，完成預(yù)調(diào)整，以保證電源在低電網(wǎng)電壓和滿載發(fā)動(dòng)時(shí)到達(dá)規(guī)則的調(diào)整值。R9、C10、C11和R4、C4構(gòu)成環(huán)路補(bǔ)償電路。
4 規(guī)劃中應(yīng)留意的問題
TOPSwitch GX系列開關(guān)電源若規(guī)劃妥當(dāng)，則較簡(jiǎn)略滿意規(guī)劃請(qǐng)求；若規(guī)劃不妥，則會(huì)呈現(xiàn)一些不正常景象。在規(guī)劃電源時(shí)應(yīng)留意以下幾個(gè)問題：
（1）因?yàn)殡娫吹妮敵龉β瘦^大，故請(qǐng)求脈沖變壓器的漏感應(yīng)盡也許小，特別是低壓大電流的狀況下更應(yīng)如此。脈沖變壓器的初、次級(jí)繞組應(yīng)相間繞制。即便這么，脈沖變壓器漏感中貯存的能量仍有也許超越瞬態(tài)按捺二極管VR1的功率容量，因此用R2、R3和C2與VR1并聯(lián)，將漏感中的能量部分地?fù)p耗在R2、R3上，以保證VR1的作業(yè)可靠性；一起又將電壓鉗位在200VDC，使TOPSwitch GX在電源發(fā)動(dòng)與過載條件下，保證器材內(nèi)部MOSFET的漏極電壓低于700VDC。
（2）輸出濾波電容的等效串聯(lián)電阻應(yīng)盡也許的小，特別是在低壓大電流的狀況下更應(yīng)如此，不然因?yàn)殡娙輷p耗增大而大大下降電源的可靠性。
（3）光耦的出端應(yīng)接近操控端C，操控端C的濾波電容應(yīng)接近源極；別的多功用端L、X、F或M與源極連接線也應(yīng)盡也許短，一起要遠(yuǎn)離漏極，以減小電源噪聲。
5 結(jié)語(yǔ)
第三代TOPSwitch GX系列比第二代TOPSwitch系列添加了許多功用，一起輸出功率也有較大進(jìn)步。實(shí)踐證明，用第三代TOPSwitch?GX系列規(guī)劃單片開關(guān)模塊電源，其電路構(gòu)造簡(jiǎn)略，抗干擾功用好，可靠性高，性價(jià)比高，故在中、低功率電子設(shè)備中有著廣泛的運(yùn)用遠(yuǎn)景。
單片開關(guān)電源是國(guó)際上90年代才開端流行的新式開關(guān)電源芯片，但早期的單片開關(guān)電源芯片普遍運(yùn)用于低功率的開關(guān)穩(wěn)壓電源。第三代單片開關(guān)電源TOP GX系列IC是美國(guó)功率集成公司于2000年頭推出的新式高功率單片開關(guān)電源芯片，它除了堅(jiān)持TOP?SwitchⅡ的根本特性外，即在單一CMOS芯片上集成了功率MOSFET、PWM操控器、毛病檢查及其它操控電路外，還集成了許多內(nèi)置的以及用戶可裝備的功用；在單電壓輸入時(shí)的最大輸出功率進(jìn)步到250W，電磁兼容功用也得到較大的進(jìn)步。第三代單片開關(guān)電源TOP GX系列IC的主要功用特色與技能指標(biāo)是：
（1）TOPSwitch GX系列新增了如下內(nèi)置功用：
①軟起動(dòng)：其作用是下降開啟時(shí)的超調(diào)以及對(duì)元器材的沖擊；
②頻率抖動(dòng)：下降EMI的峰值；
③較高的占空比允許更大的輸出功率和運(yùn)用較小的輸入濾波電容；
④零負(fù)載調(diào)節(jié)才能，輕載時(shí)很高的功率使得待機(jī)時(shí)的功耗很低；
⑤滯后過熱關(guān)斷使器材可主動(dòng)毛病康復(fù)。
（2）TOPSwitch GX系列還增設(shè)了用戶可裝備的引腳，用于檢查電網(wǎng)過、欠壓，外部設(shè)置電流約束以及兩種開關(guān)頻率（132kHz和66kHz）的挑選。電網(wǎng)欠壓維護(hù)、過壓關(guān)斷，以及經(jīng)過電路反應(yīng)電壓的取樣以下降輸出紋波和在高輸入電壓時(shí)最大限度地減小占空比。經(jīng)過外部電流約束引腳能夠精確地減小功率MOSFET的電流，廉價(jià)地完成高功率。
（3）別的TOPSwitch GX系列還選用節(jié)約能源的ECOSMART技能，該技能特別在待機(jī)及電源無(wú)負(fù)載條件下能夠節(jié)約能源。下降能耗的功用包括長(zhǎng)途ON/OFF功用，即經(jīng)過遙控的方法操控電源的開閉，亦可完成外同步；在低負(fù)載時(shí)主動(dòng)下降作業(yè)頻率。這些功用已超越美國(guó)“ENERGYSTAR”的標(biāo)準(zhǔn)。
因?yàn)門OPSwitch GX系列具有以上許多特色，因此可廣泛用于中、低功率的開關(guān)穩(wěn)壓電源中。它不只電路簡(jiǎn)略，并且可靠性高，故在中、低功率電子設(shè)備中有著廣泛的運(yùn)用遠(yuǎn)景。
2、管腳功用
TOPSwitch GX系列的管腳擺放如圖1所示，該系列有Y封裝和P、G封裝兩種構(gòu)造。從圖上看出：關(guān)于Y封裝的TOPSwitch?GX系列，其D、C、S管腳與原TOPSwitch系列開關(guān)命名相同，分別為漏極、操控極和源極，新添加的L、X、F管腳的功用如下：
L：為輸入電壓的欠壓與過壓檢查端，一起還具有長(zhǎng)途遙控功用。如圖2所示，若L端與輸入電壓正端接入2MΩ的電阻，則欠壓維護(hù)值為：
Vuv=Iuv×RL=100V（1）
過壓維護(hù)值為：
Vov=Iov×RL=450V（2）
此外L端還具有長(zhǎng)途遙控功用，只要在L、C端之間加一個(gè)三極管或光電耦合器即可完成長(zhǎng)途遙控功用。
X：為外部電流設(shè)定調(diào)整端。在X端與源極之間接入不一樣的電阻值，則開關(guān)電流即限定為不一樣的數(shù)值。若R2=12kΩ，則流過開關(guān)的電流被設(shè)定為額定值的69％；若R2=6kΩ，為額定值的90％；若R2=25kΩ，為額定值的43％。可見，當(dāng)R2值增大時(shí)，則開關(guān)允許流過的電流要減小。
F：為開關(guān)頻率挑選端。當(dāng)F端接到源極時(shí)，其開關(guān)頻率為132kHz，當(dāng)接到操控端時(shí)，其開關(guān)頻率為66kHz。
此外，TOPSwitch GX系列也能夠當(dāng)通常的三端TOP器材運(yùn)用，此刻只要將L、X、F端一起與源極相接即可。但此刻新增用戶可裝備的功用悉數(shù)喪失。
關(guān)于P、G封裝的TOPSwitch GX系列開關(guān)都沒有X、F端，而新增M端，其功用與Y封裝中的L端功用相同。
3 120W、24V開關(guān)電源模塊的電路規(guī)劃
3.1 規(guī)劃請(qǐng)求
（1）輸入電壓：85V～265VAC，50Hz；
（2）輸出電壓：16V～24VDC；
（3）輸出電流：5.0A；
（4）電網(wǎng)調(diào)整率：±1％。
3.2 規(guī)劃過程
依據(jù)規(guī)劃請(qǐng)求，現(xiàn)以圖4上的原理圖來(lái)闡明規(guī)劃過程。
（1）器材挑選
依據(jù)規(guī)劃請(qǐng)求挑選TOP248Y作為開關(guān)器材。這時(shí)TOP248Y作業(yè)在輸出功率的上限，電流設(shè)定在最大值，行將X端直接與源極相連。而過壓值設(shè)定在450VDC，若輸入電壓超越此值，則TOPSwitch?GX將自行關(guān)斷，直到輸入電壓康復(fù)正常值，TOPSwitch?GX又自行康復(fù)發(fā)動(dòng)。頻率挑選端F也與源極直接相連，此刻開關(guān)作業(yè)頻率設(shè)定在132kHz。
（2）脈沖變壓器的規(guī)劃請(qǐng)求
脈沖變壓器的初級(jí)電感（即勵(lì)磁電感）Lm中的電流與電壓的聯(lián)系近似為：Im=×τ（3）
式中：UO為初級(jí)電感兩頭的電壓；
τ為開關(guān)脈沖寬度。
由式（3）可知：脈沖變壓器的初級(jí)電感值要恰當(dāng)，通常在300μH到3000μH之間。輸出功率大的狀況應(yīng)取低限；反之則取上限。變壓器初級(jí)電感不能太小，太小會(huì)形成TOPSwitch?GX系列中MOSFET的漏極電流太大，使開關(guān)損耗添加，一起易形成過流維護(hù)動(dòng)作，使電源難以發(fā)動(dòng)。相同初級(jí)電感也不能太大，太大則不能滿意輸出功率的請(qǐng)求。
（3）電源次級(jí)電路的規(guī)劃
次級(jí)電路主要是挑選整流管和濾波電容。整流管的挑選應(yīng)依據(jù)輸出電流和電壓，其最大值的挑選為：
IRLCmax2IO=2×5=10A（4）
VRLCmax （5）
n=×Dmin （6）
式中：VO為輸出電壓；IO為輸出電流；Vinmax為最大輸入直流電壓；Dmin為開關(guān)的最小占空比；n為脈沖變壓器的變比。
將Vinmax=375V；VO=24V；Dmin=0.18代入式(6)得到脈沖變壓器的變比為:n≈4
此刻脈沖變壓器的初級(jí)勵(lì)磁電流為:Im==1.25A (7)
此值遠(yuǎn)小于TOP248Y的漏極電流（7.2A）。
電源次級(jí)整流管在低輸出電壓的狀況下，通常選用肖特基二極管，用來(lái)減小二極管的損耗。當(dāng)輸出電壓較高時(shí)，則需求選用快康復(fù)二極管（如圖4中D2）；當(dāng)開關(guān)頻率較高時(shí)，應(yīng)選用超快康復(fù)二極管作整流管，以減小其反向電流對(duì)初級(jí)的影響。
濾波電容C7的容量應(yīng)滿意輸出電壓紋波的請(qǐng)求，L1及C8應(yīng)能有效地濾除開關(guān)所發(fā)生的噪聲影響。
（4）反應(yīng)調(diào)整電路的規(guī)劃
反應(yīng)調(diào)整電路選用光耦和可調(diào)三端穩(wěn)壓器TL431構(gòu)成的調(diào)整電路，如圖4電路中的VR2、R5、R7、R10、R11和R6構(gòu)成的輸出電壓調(diào)整電路。R5作為光耦的限流電阻，并不能影響電路的檢查環(huán)路的增益。在起動(dòng)剎那間，檢查光耦輸出電流，然后改動(dòng)操控端C的電流，完成預(yù)調(diào)整，以保證電源在低電網(wǎng)電壓和滿載發(fā)動(dòng)時(shí)到達(dá)規(guī)則的調(diào)整值。R9、C10、C11和R4、C4構(gòu)成環(huán)路補(bǔ)償電路。
4 規(guī)劃中應(yīng)留意的問題
TOPSwitch GX系列開關(guān)電源若規(guī)劃妥當(dāng)，則較簡(jiǎn)略滿意規(guī)劃請(qǐng)求；若規(guī)劃不妥，則會(huì)呈現(xiàn)一些不正常景象。在規(guī)劃電源時(shí)應(yīng)留意以下幾個(gè)問題：
（1）因?yàn)殡娫吹妮敵龉β瘦^大，故請(qǐng)求脈沖變壓器的漏感應(yīng)盡也許小，特別是低壓大電流的狀況下更應(yīng)如此。脈沖變壓器的初、次級(jí)繞組應(yīng)相間繞制。即便這么，脈沖變壓器漏感中貯存的能量仍有也許超越瞬態(tài)按捺二極管VR1的功率容量，因此用R2、R3和C2與VR1并聯(lián)，將漏感中的能量部分地?fù)p耗在R2、R3上，以保證VR1的作業(yè)可靠性；一起又將電壓鉗位在200VDC，使TOPSwitch GX在電源發(fā)動(dòng)與過載條件下，保證器材內(nèi)部MOSFET的漏極電壓低于700VDC。
（2）輸出濾波電容的等效串聯(lián)電阻應(yīng)盡也許的小，特別是在低壓大電流的狀況下更應(yīng)如此，不然因?yàn)殡娙輷p耗增大而大大下降電源的可靠性。
（3）光耦的出端應(yīng)接近操控端C，操控端C的濾波電容應(yīng)接近源極；別的多功用端L、X、F或M與源極連接線也應(yīng)盡也許短，一起要遠(yuǎn)離漏極，以減小電源噪聲。
5 結(jié)語(yǔ)
第三代TOPSwitch GX系列比第二代TOPSwitch系列添加了許多功用，一起輸出功率也有較大進(jìn)步。實(shí)踐證明，用第三代TOPSwitch?GX系列規(guī)劃單片開關(guān)模塊電源，其電路構(gòu)造簡(jiǎn)略，抗干擾功用好，可靠性高，性價(jià)比高，故在中、低功率電子設(shè)備中有著廣泛的運(yùn)用遠(yuǎn)景。
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