探討如何設計新型高功率單片開關模塊電源
1、功用特色與技能指標
單片開關電源是國際上90年代才開端流行的新式開關電源芯片，但早期的單片開關電源芯片普遍運用于低功率的開關穩壓電源。第三代單片開關電源TOP GX系列IC是美國功率集成公司于2000年頭推出的新式高功率單片開關電源芯片，它除了堅持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，還集成了許多內置的以及用戶可裝備的功用；在單電壓輸入時的最大輸出功率進步到250W，電磁兼容功用也得到較大的進步。第三代單片開關電源TOP GX系列IC的主要功用特色與技能指標是：
（1）TOPSwitch GX系列新增了如下內置功用：
①軟起動：其作用是下降開啟時的超調以及對元器材的沖擊；
②頻率抖動：下降EMI的峰值；
③較高的占空比允許更大的輸出功率和運用較小的輸入濾波電容；
④零負載調節才能，輕載時很高的功率使得待機時的功耗很低；
⑤滯后過熱關斷使器材可主動毛病康復。
（2）TOPSwitch GX系列還增設了用戶可裝備的引腳，用于檢查電網過、欠壓，外部設置電流約束以及兩種開關頻率（132kHz和66kHz）的挑選。電網欠壓維護、過壓關斷，以及經過電路反應電壓的取樣以下降輸出紋波和在高輸入電壓時最大限度地減小占空比。經過外部電流約束引腳能夠精確地減小功率MOSFET的電流，廉價地完成高功率。
（3）別的TOPSwitch GX系列還選用節約能源的ECOSMART技能，該技能特別在待機及電源無負載條件下能夠節約能源。下降能耗的功用包括長途ON/OFF功用，即經過遙控的方法操控電源的開閉，亦可完成外同步；在低負載時主動下降作業頻率。這些功用已超越美國“ENERGYSTAR”的標準。
因為TOPSwitch GX系列具有以上許多特色，因此可廣泛用于中、低功率的開關穩壓電源中。它不只電路簡略，并且可靠性高，故在中、低功率電子設備中有著廣泛的運用遠景。
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封裝兩種構造。從圖上看出：關于Y封裝的TOPSwitch?GX系列，其D、C、S管腳與原TOPSwitch系列開關命名相同，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，則欠壓維護值為：
Vuv=Iuv×RL=100V（1）
過壓維護值為：
Vov=Iov×RL=450V（2）
此外L端還具有長途遙控功用，只要在L、C端之間加一個三極管或光電耦合器即可完成長途遙控功用。
X：為外部電流設定調整端。在X端與源極之間接入不一樣的電阻值，則開關電流即限定為不一樣的數值。若R2=12kΩ，則流過開關的電流被設定為額定值的69％；若R2=6kΩ，為額定值的90％；若R2=25kΩ，為額定值的43％。可見，當R2值增大時，則開關允許流過的電流要減小。
F：為開關頻率挑選端。當F端接到源極時，其開關頻率為132kHz，當接到操控端時，其開關頻率為66kHz。
此外，TOPSwitch GX系列也能夠當通常的三端TOP器材運用，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喪失。
關于P、G封裝的TOPSwitch GX系列開關都沒有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開關電源模塊的電路規劃
3.1 規劃請求
（1）輸入電壓：85V～265VAC，50Hz；
（2）輸出電壓：16V～24VDC；
（3）輸出電流：5.0A；
（4）電網調整率：±1％。
3.2 規劃過程
依據規劃請求，現以圖4上的原理圖來闡明規劃過程。
（1）器材挑選
依據規劃請求挑選TOP248Y作為開關器材。這時TOP248Y作業在輸出功率的上限，電流設定在最大值，行將X端直接與源極相連。而過壓值設定在450VDC，若輸入電壓超越此值，則TOPSwitch?GX將自行關斷，直到輸入電壓康復正常值，TOPSwitch?GX又自行康復發動。頻率挑選端F也與源極直接相連，此刻開關作業頻率設定在132kHz。
（2）脈沖變壓器的規劃請求
脈沖變壓器的初級電感（即勵磁電感）Lm中的電流與電壓的聯系近似為：Im=×τ（3）
式中：UO為初級電感兩頭的電壓；
τ為開關脈沖寬度。
由式（3）可知：脈沖變壓器的初級電感值要恰當，通常在300μH到3000μH之間。輸出功率大的狀況應取低限；反之則取上限。變壓器初級電感不能太小，太小會形成TOPSwitch?GX系列中MOSFET的漏極電流太大，使開關損耗添加，一起易形成過流維護動作，使電源難以發動。相同初級電感也不能太大，太大則不能滿意輸出功率的請求。
（3）電源次級電路的規劃
次級電路主要是挑選整流管和濾波電容。整流管的挑選應依據輸出電流和電壓，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勵磁電流為:Im==1.25A (7)
此值遠小于TOP248Y的漏極電流（7.2A）。
電源次級整流管在低輸出電壓的狀況下，通常選用肖特基二極管，用來減小二極管的損耗。當輸出電壓較高時，則需求選用快康復二極管（如圖4中D2）；當開關頻率較高時，應選用超快康復二極管作整流管，以減小其反向電流對初級的影響。
濾波電容C7的容量應滿意輸出電壓紋波的請求，L1及C8應能有效地濾除開關所發生的噪聲影響。
（4）反應調整電路的規劃
反應調整電路選用光耦和可調三端穩壓器TL431構成的調整電路，如圖4電路中的VR2、R5、R7、R10、R11和R6構成的輸出電壓調整電路。R5作為光耦的限流電阻，并不能影響電路的檢查環路的增益。在起動剎那間，檢查光耦輸出電流，然后改動操控端C的電流，完成預調整，以保證電源在低電網電壓和滿載發動時到達規則的調整值。R9、C10、C11和R4、C4構成環路補償電路。
4 規劃中應留意的問題
TOPSwitch GX系列開關電源若規劃妥當，則較簡略滿意規劃請求；若規劃不妥，則會呈現一些不正常景象。在規劃電源時應留意以下幾個問題：
（1）因為電源的輸出功率較大，故請求脈沖變壓器的漏感應盡也許小，特別是低壓大電流的狀況下更應如此。脈沖變壓器的初、次級繞組應相間繞制。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按捺二極管VR1的功率容量，因此用R2、R3和C2與VR1并聯，將漏感中的能量部分地損耗在R2、R3上，以保證VR1的作業可靠性；一起又將電壓鉗位在200VDC，使TOPSwitch GX在電源發動與過載條件下，保證器材內部MOSFET的漏極電壓低于700VDC。
（2）輸出濾波電容的等效串聯電阻應盡也許的小，特別是在低壓大電流的狀況下更應如此，不然因為電容損耗增大而大大下降電源的可靠性。
（3）光耦的出端應接近操控端C，操控端C的濾波電容應接近源極；別的多功用端L、X、F或M與源極連接線也應盡也許短，一起要遠離漏極，以減小電源噪聲。
5 結語
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步。實踐證明，用第三代TOPSwitch?GX系列規劃單片開關模塊電源，其電路構造簡略，抗干擾功用好，可靠性高，性價比高，故在中、低功率電子設備中有著廣泛的運用遠景。
單片開關電源是國際上90年代才開端流行的新式開關電源芯片，但早期的單片開關電源芯片普遍運用于低功率的開關穩壓電源。第三代單片開關電源TOP GX系列IC是美國功率集成公司于2000年頭推出的新式高功率單片開關電源芯片，它除了堅持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，還集成了許多內置的以及用戶可裝備的功用；在單電壓輸入時的最大輸出功率進步到250W，電磁兼容功用也得到較大的進步。第三代單片開關電源TOP GX系列IC的主要功用特色與技能指標是：
（1）TOPSwitch GX系列新增了如下內置功用：
①軟起動：其作用是下降開啟時的超調以及對元器材的沖擊；
②頻率抖動：下降EMI的峰值；
③較高的占空比允許更大的輸出功率和運用較小的輸入濾波電容；
④零負載調節才能，輕載時很高的功率使得待機時的功耗很低；
⑤滯后過熱關斷使器材可主動毛病康復。
（2）TOPSwitch GX系列還增設了用戶可裝備的引腳，用于檢查電網過、欠壓，外部設置電流約束以及兩種開關頻率（132kHz和66kHz）的挑選。電網欠壓維護、過壓關斷，以及經過電路反應電壓的取樣以下降輸出紋波和在高輸入電壓時最大限度地減小占空比。經過外部電流約束引腳能夠精確地減小功率MOSFET的電流，廉價地完成高功率。
（3）別的TOPSwitch GX系列還選用節約能源的ECOSMART技能，該技能特別在待機及電源無負載條件下能夠節約能源。下降能耗的功用包括長途ON/OFF功用，即經過遙控的方法操控電源的開閉，亦可完成外同步；在低負載時主動下降作業頻率。這些功用已超越美國“ENERGYSTAR”的標準。
因為TOPSwitch GX系列具有以上許多特色，因此可廣泛用于中、低功率的開關穩壓電源中。它不只電路簡略，并且可靠性高，故在中、低功率電子設備中有著廣泛的運用遠景。
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封裝兩種構造。從圖上看出：關于Y封裝的TOPSwitch?GX系列，其D、C、S管腳與原TOPSwitch系列開關命名相同，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，則欠壓維護值為：
Vuv=Iuv×RL=100V（1）
過壓維護值為：
Vov=Iov×RL=450V（2）
此外L端還具有長途遙控功用，只要在L、C端之間加一個三極管或光電耦合器即可完成長途遙控功用。
X：為外部電流設定調整端。在X端與源極之間接入不一樣的電阻值，則開關電流即限定為不一樣的數值。若R2=12kΩ，則流過開關的電流被設定為額定值的69％；若R2=6kΩ，為額定值的90％；若R2=25kΩ，為額定值的43％。可見，當R2值增大時，則開關允許流過的電流要減小。
F：為開關頻率挑選端。當F端接到源極時，其開關頻率為132kHz，當接到操控端時，其開關頻率為66kHz。
此外，TOPSwitch GX系列也能夠當通常的三端TOP器材運用，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喪失。
關于P、G封裝的TOPSwitch GX系列開關都沒有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開關電源模塊的電路規劃
3.1 規劃請求
（1）輸入電壓：85V～265VAC，50Hz；
（2）輸出電壓：16V～24VDC；
（3）輸出電流：5.0A；
（4）電網調整率：±1％。
3.2 規劃過程
依據規劃請求，現以圖4上的原理圖來闡明規劃過程。
（1）器材挑選
依據規劃請求挑選TOP248Y作為開關器材。這時TOP248Y作業在輸出功率的上限，電流設定在最大值，行將X端直接與源極相連。而過壓值設定在450VDC，若輸入電壓超越此值，則TOPSwitch?GX將自行關斷，直到輸入電壓康復正常值，TOPSwitch?GX又自行康復發動。頻率挑選端F也與源極直接相連，此刻開關作業頻率設定在132kHz。
（2）脈沖變壓器的規劃請求
脈沖變壓器的初級電感（即勵磁電感）Lm中的電流與電壓的聯系近似為：Im=×τ（3）
式中：UO為初級電感兩頭的電壓；
τ為開關脈沖寬度。
由式（3）可知：脈沖變壓器的初級電感值要恰當，通常在300μH到3000μH之間。輸出功率大的狀況應取低限；反之則取上限。變壓器初級電感不能太小，太小會形成TOPSwitch?GX系列中MOSFET的漏極電流太大，使開關損耗添加，一起易形成過流維護動作，使電源難以發動。相同初級電感也不能太大，太大則不能滿意輸出功率的請求。
（3）電源次級電路的規劃
次級電路主要是挑選整流管和濾波電容。整流管的挑選應依據輸出電流和電壓，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勵磁電流為:Im==1.25A (7)
此值遠小于TOP248Y的漏極電流（7.2A）。
電源次級整流管在低輸出電壓的狀況下，通常選用肖特基二極管，用來減小二極管的損耗。當輸出電壓較高時，則需求選用快康復二極管（如圖4中D2）；當開關頻率較高時，應選用超快康復二極管作整流管，以減小其反向電流對初級的影響。
濾波電容C7的容量應滿意輸出電壓紋波的請求，L1及C8應能有效地濾除開關所發生的噪聲影響。
（4）反應調整電路的規劃
反應調整電路選用光耦和可調三端穩壓器TL431構成的調整電路，如圖4電路中的VR2、R5、R7、R10、R11和R6構成的輸出電壓調整電路。R5作為光耦的限流電阻，并不能影響電路的檢查環路的增益。在起動剎那間，檢查光耦輸出電流，然后改動操控端C的電流，完成預調整，以保證電源在低電網電壓和滿載發動時到達規則的調整值。R9、C10、C11和R4、C4構成環路補償電路。
4 規劃中應留意的問題
TOPSwitch GX系列開關電源若規劃妥當，則較簡略滿意規劃請求；若規劃不妥，則會呈現一些不正常景象。在規劃電源時應留意以下幾個問題：
（1）因為電源的輸出功率較大，故請求脈沖變壓器的漏感應盡也許小，特別是低壓大電流的狀況下更應如此。脈沖變壓器的初、次級繞組應相間繞制。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按捺二極管VR1的功率容量，因此用R2、R3和C2與VR1并聯，將漏感中的能量部分地損耗在R2、R3上，以保證VR1的作業可靠性；一起又將電壓鉗位在200VDC，使TOPSwitch GX在電源發動與過載條件下，保證器材內部MOSFET的漏極電壓低于700VDC。
（2）輸出濾波電容的等效串聯電阻應盡也許的小，特別是在低壓大電流的狀況下更應如此，不然因為電容損耗增大而大大下降電源的可靠性。
（3）光耦的出端應接近操控端C，操控端C的濾波電容應接近源極；別的多功用端L、X、F或M與源極連接線也應盡也許短，一起要遠離漏極，以減小電源噪聲。
5 結語
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步。實踐證明，用第三代TOPSwitch?GX系列規劃單片開關模塊電源，其電路構造簡略，抗干擾功用好，可靠性高，性價比高，故在中、低功率電子設備中有著廣泛的運用遠景。
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