单端反激式开关电源--控制驱动电路设计

1摘要：TOPSwitch系列芯片是PowerIntegration公司生产的开关电源专用集成电路,它将脉宽调制电路(PWM)与高压MOSFET开关管及驱动电路等集成在一起。采用PWM控制器和MOSFET功率开关一体化的集成控制芯片是新一代开关电源设计的重要特点和趋势。使用该芯片设计的小功率开关电源,可大大减少外围电路,降低成本,提高可靠性。本文介绍了一种采用TOP244Y集成芯片实现的开关电源。根据TOP244Y的特性给出了单端反激式开关电源的工程设计方法，对外围电路的设计进行了分析和讨论，并给出设计中的注意事项。关键词：开关电源,单端反激,TOPSwitch-GXABSTRACT:Topswitchseriesintegratedcircuitsareproducedespeciallyforpowersupplybypowerintegrationcompany,whichintegratethepulsewidthcontroller(PWM)andahighvoltageMOSFETtogether.Theintegrationcontrollingchip,whichintegratedPWMcontrollerandMOSFETpower,istheimportantfeaturesandtrendsofthenewgenerationSwitchModePowerSupply(SMPS).Designinglowpowerswitchingpowersupplywithsuchintegratedcircuitscandecreasepartscount,decreasecostandincreasereliability.ThispaperintroducedakindofmethodtoimplementtheSMPSusingTOP244Y.AccordingtotheTOP244Ycharacteristics,thepaperprovidesaengineeringmethodtodesignofsingle-flybackswitchmodepowersupplycircuit.Itanalyzesanddiscussestheexternalcircuit,andgivesattentiontothedesignmatters.Keywords:switchmodepowersupply,singleflyback,TOPSwitch-GX2目录前言.................................................错误!未定义书签。1.基于TOPSwitch的反激变换器工作原理.................................41.1开关电源的组成.................................................41.2开关电源的设计要求.............................................41.3开关电源的概略结构图和设计结构图...............................51.4基于topswitch的反激变换器工作过程.............................62.控制电路的原理及设计...............................................72.1电压前馈电路的原理及其设计.....................................72.1.1控制器的选择..............................................72.1.2TOPSwitch的特点及原理....................................82.1.3内部工作原理..............................................92.1.4外围控制电路设计.........................................162.2光耦反馈的原理及其设计........................................162.2.1光耦合器原理及选型.......................................172.2.2可调基准电压源原理及选型.................................183.滤波和保护电路的原理及设计.........................................203.1EMI滤波......................................................203.2钳位保护电路..................................................203.2.1瞬态电压抑制器原理及选型.................................213.2.2超快恢复二极管原理及选型.................................224.电路板的设计及注意事项.............................................244.1开关电源印制电路板的设计......................................244.2制版时的注意事项..............................................245.结论...............................................................265.1实验结果......................................................265.1.1空载运行并进行宽输入实验.................................265.1.2负载运行并进行宽输入实验.................错误!未定义书签。5.1.3实验结果图..............................................265.2分析..........................................................265.3感受..........................................................265.4对设计电路的改进..............................................26致谢.................................................错误!未定义书签。参考文献.............................................................26附件..................................................错误!未定义书签。3开关电源SMPS(SwitchModePowerSupply)被誉为高效节能电源，是现代提倡绿色环保下的较理想产品，它代表着稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品。开关电源内部关键元器件工作在高频开关状态，本身消耗能量很低，电源效率可达70%～90%，比普通线性稳压电源提高近一倍。开关电源亦称无工频变压器的电源，它是利用体积很小的高频变压器来实现电压变换及电网隔离的，不仅能去掉重的工频变压器，还可采用体积较小的滤波元件和散热器，这就为研究与开发高效率，高密度，高可靠性，体积小，重量轻的开关电源奠定了基础。TOPSwitch-GX系列是美国PI公司继TOPSwitch-FX之后新推出的第四代单片开关电源集成电路。最大输出功率从75W扩展到290W。新增加了线性检测端（L）和从外部设定极限电流端（X）这两个引脚，用来代替TOPSwitch-FX的多功能端（M）的全部控制功能，使用更加灵活，方便。将开关频率提高到132kHz降低到30kHz，可降低开关损耗，进一步提高电源效率。本设计在参阅了大量前人设计开关电源的基础上，利用TOPSwitch-GX系列中的TOP244Y为作为控制器，应用反馈控制方法进行设计的单端反激式开关电源。用TOPSwitch-GX系列的TOP244Y做单端反激式开关电源有电路简单，稳压性能好，外围元件少，成本低的特点，且电源效率高，功耗低，过载能力强，抗干扰能力强。在现在的电源领域有较好的发展前景。41.基于TOPSwitch的反激变换器工作原理1.1开关电源的组成开关电源的典型结构如下图1-1所示：图1-1开关电源的典型结构图开关电源由以下4部分构成:(1)主电路:从交流电网输入,到直流输出的主要电路。主要包括输入电磁干扰滤波器、输入整流滤波器、高频变压器、功率开关管和输出整流滤波器。(2)控制电路:包括输出端取样电路、反馈电路和脉宽调制器(或通∕断控制电路)，电压前馈电路。(3)检测及保护电路:检测电路有过电流检测、过电压检测、欠电压检测、过热检测等;保护电路可分为过电流保护、过电压保护、欠电压保护、箝位保护、过热保护、自动重启动、软启动、缓启动等多种类型。(4)其他电路:偏置电路、光耦合器等。1.2开关电源的设计要求（1）输入电压为：交流85～265V；（2）输出要求为：稳定的12V直流电压，电流为2.5A，输出功率为30W；（2）电路结构：单端反激式；（4）控制芯片：TOPSwitch-GX系列芯片。51.3开关电源的概略结构图和设计结构图设计时的概略结构图如图1-2开关电源的概略结构图所示，开关电源的设计结构图如图1-3设计结图所示。图1-2开关电源的概略结构图图1-3开关电源的设计结构图由图1-3开关电源的设计结构图可以看到，结构图由以下部分组成：1.简易式单极EMI滤波电路，由安全电容C9和共模扼流圈L1组成，火线上串了一个保险丝；2.整流电路，由整流桥BR和输入滤波电容组成；3.变压器；4.输出滤波电路；5.电压前馈控制电路；66.光耦反馈控制电路。1.4基于topswitch的反激变换器工作过程市电进入电源首先经整流和滤波转为高压直流电,然后通过开关电路和高频开关变压器转为高频率低压脉冲,再经过整流和滤波电路,最终输出低电压的直流电源。同时在输出部分有一个电路通过光耦反馈电路反馈给控制电路,通过控制PWM占空比以达到输出电压稳定。72.控制电路的原理及设计2.1电压前馈电路的原理及其设计电压前馈电路是在整流电源到变压器初级前，控制器TOP244Y通过分析整流的质量，对系统进行初步的控制。如图2-1是电压前馈电路结构图。图2-1电压前馈电路结构图2.1.1控制器的选择TOPSwitch-GX属于高性价比的开关电源。下图2-2为宽范围输入，12V输出时PD与,P0的关系曲线。下图规定以下条件：开关频率f=132kHz；交流输入电压u=85～265V；输入滤波电容CIN的容量按3uf/W的比例系数选取；感应电压UOR=135V；漏极钳位电压UB=200V,漏极钳位电路中可以并上RC网络，以减少瞬态电压抑制器的损8耗；输出整流采用肖特基二极管，12V输出时肖特基二极管的正向压降为0.54V，反向耐压为100V；TOPSwitch-GX在额定输出时的最高结温Tjmax=1100C。图2-2宽范围输入时，12V输出时PD与η,P0的关系曲线从上图中可知，当本实验选择30W输出时，TOP244Y在选择范围之内，又因为TOP244Y是从横坐标垂直上移时所遇到的第一条实曲线，就代表输出功率最小，成本最低的TOPSwitch-GX芯片，十分符合本实验的要求，所以就选择TOP244Y作为本实验的控制芯片。2.1.2TOPSwitch的特点及原理TOP2