TOPSwitch?GX系列單片開關(guān)電源的快速設(shè)計(jì)法??

TOPSwitch?GX屬于高性價(jià)比的單片開關(guān)電源。下面介紹利用特性曲線快速選擇TOPSwitch?GX芯片并估算電源效率η和芯片功耗PD的方法?？焖僭O(shè)計(jì)法可為設(shè)計(jì)單片開關(guān)電源提供重要依據(jù)。

1快速選擇TOPSwitch?GX芯片的方法

TOPSwitch?GX的交流輸入方式有兩種：寬范圍輸入（交流85V～265V，亦稱世界通用的供電電壓輸入），固定輸入（交流230V±15％，亦稱單一供電電壓輸入）。下面介紹四種快速選擇曲線及其使用方法和設(shè)計(jì)實(shí)例。

1.1寬范圍輸入時(shí)PD與η、PO的關(guān)系曲線

TOPSwitch?GX系列產(chǎn)品在寬范圍輸入條件下，當(dāng)輸出電壓UO=＋5V、＋12V時(shí)，PD與η、輸出功率（PO）的關(guān)系曲線，分別如圖1、圖2所示?，F(xiàn)規(guī)定以下條件：開關(guān)頻率f=132kHz；交流輸入電壓U=85V～265V；輸入濾波電容CIN的容量按3μF/W的比例系數(shù)選取；初級(jí)感應(yīng)電壓UOR=135V；漏極鉗位電壓UB=200V，漏極鉗位電路中可以并聯(lián)上RC網(wǎng)絡(luò)，以減少瞬態(tài)電壓抑制器的損耗；輸出整流管采用肖特基二極管，5V輸出時(shí)正向壓降為0.45V、反向耐壓為45V；12V輸出時(shí)分別為0.54V、100V；TOPSwitch?GX在額定輸出時(shí)的最低結(jié)溫Tjmin=100℃（僅Y封裝為110℃）。圖中，橫坐標(biāo)代表PO，縱坐標(biāo)代表η。所給出的八條實(shí)線依次對(duì)應(yīng)于TOP242～TOP249的電源效率，虛線則表示芯片功耗的等值線。圖中的陰影區(qū)對(duì)應(yīng)于輸出電流IO>10A的情況，若要使用該區(qū)域內(nèi)的曲線部分，應(yīng)選更大功率的輸出整流管并增加濾波電容的容量，此時(shí)電源效率會(huì)降低些。

圖1寬范圍輸入、5V輸出時(shí)PD與η、PO的關(guān)系曲線

圖2寬范圍輸入、12V輸出時(shí)PD與η、PO的關(guān)系曲線

圖3固定輸入、5V輸出時(shí)PD與η、PO的關(guān)系曲線

1.2固定輸入時(shí)PD與η、PO的關(guān)系曲線

TOPSwitch?GX系列產(chǎn)品在固定輸入條件下，當(dāng)UO=＋5V、＋12V時(shí)，PD與η、PO的關(guān)系曲線，分別如圖3、圖4所示。這里假定U=230V±15％，CIN的容量按1μF/W的比例系數(shù)選取。其余條件同上。

1.3快速選擇曲線的使用方法

利用上述曲線能快速選擇TOPSwitch?GX芯片，并得到電源效率和芯片功耗的估計(jì)值，也為選擇散熱器提供了依據(jù)。由于這些曲線反映了PD、η、PO參數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系，因此所得到的估計(jì)值是可信的。

使用快速選擇曲線的方法如下：

（1）根據(jù)預(yù)先確定好的U、UO值，選擇適用的特性曲線；

（2）從橫坐標(biāo)上查出所預(yù)期的輸出功率點(diǎn)（PO）；

（3）沿此功率點(diǎn)垂直向上移動(dòng)，直到與第一條實(shí)

曲線相交；

（4）讀出該交點(diǎn)對(duì)應(yīng)于縱坐標(biāo)的電源效率值；

（5）確定該效率值是否滿足設(shè)計(jì)要求，如不滿足，再向上移動(dòng)查找其他曲線；

（6）從虛線（等值線）上讀出所選芯片的功耗PD，供設(shè)計(jì)散熱器時(shí)參考。

最后再利用電子數(shù)據(jù)表格或PI專家系統(tǒng)完成整個(gè)開關(guān)電源的設(shè)計(jì)工作。

需要指出，設(shè)計(jì)人員所預(yù)期的輸出功率值可能對(duì)應(yīng)于幾種不同型號(hào)的芯片。此時(shí)從橫坐標(biāo)垂直上移時(shí)所遇到的第一條實(shí)曲線，就代表輸出功率最小、成本最低的TOPSwitch?GX芯片，而遇見的最后一條實(shí)曲線，則表示功率最大、效率最高、價(jià)格較貴的芯片。應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理地選擇。此外，若UO為5V～12V中間的某一數(shù)值，則可用外插法從兩條曲線中間找一個(gè)合適的工作點(diǎn)。注意，適當(dāng)提升輸出電壓可以提高電源效率。例如在一個(gè)通用型12V、70W的設(shè)計(jì)曲線中，用TOP249Y估計(jì)有79.5％的效率，若將輸出電壓提升到19V，效率就將達(dá)到85％。而由TOP249Y構(gòu)成交流230V輸入、輸出為48V、250W的敞開式開關(guān)電源，其效率可達(dá)84.5％。

1.4應(yīng)用實(shí)例

例1設(shè)計(jì)一個(gè)寬范圍輸入、輸出為5V、30W的開關(guān)電源

從圖1所示曲線上可以查出，當(dāng)PO=30W時(shí)可選TOP244芯片。此時(shí)交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電源效率為67.5％，TOP244的功耗為3.5W。若采用TOP245芯片，則效率可提高到70.5％，功耗也降至2.5W。當(dāng)PD=1.5W時(shí)，可選Y封裝的芯片。

例2設(shè)計(jì)一個(gè)寬范圍輸入、輸出為12V、12W的電源適配器

由圖2上可以查出，適合PO=12W的芯片型號(hào)有兩種：TOP243、TOP244。所不同的是選擇TOP243時(shí)，η=82％，PD=0.7W；若選TOP244，則η=83％，PD=0.5W，考慮到電源適配器密封在塑料盒內(nèi)，散熱條件較差，要求Tjmin≤100℃。對(duì)于DIP?8B封裝的芯片，在印制板上用232mm2敷銅箔作散熱器時(shí)，其芯片結(jié)溫到周圍空氣的總熱阻RθA=35℃/W。假定最高環(huán)境溫度TAM=50℃，塑料盒內(nèi)還有大約20℃的溫升△T，即盒內(nèi)溫度T'A=TAM＋△T=70℃。根據(jù)下式可計(jì)算出額定輸出時(shí)芯片的最低結(jié)溫：

圖4固定輸入、12V輸出時(shí)PD與η、PO的關(guān)系曲線

表2寬范圍輸入、12V輸出時(shí)關(guān)鍵元件的典型參數(shù)

表1寬范圍輸入、5V輸出時(shí)關(guān)鍵元件的典型參數(shù)

Tjmin=T'A＋RθA·PD

對(duì)TOP243P而言，PD=0.7W時(shí)，Tjmin=70＋35×0.7=94.5℃<100℃。對(duì)于TOP244P，PD=0.5W時(shí)不難算出Tjmin=87.5℃。因此，如果塑料盒內(nèi)沒有足夠的空間安裝散熱器時(shí)，選擇TOP244P就更為適合。

例3設(shè)計(jì)一個(gè)寬范圍輸入、輸出為12V、70W的開關(guān)電源

由圖2可見，有4種芯片可滿足要求：TOP246Y（效率73.8％，功耗8W）；TOP247Y（效率77％，功耗5.5W）；TOP248Y（效率78.5％，功耗4.5W）；TOP249Y（效率79.5％，功耗3.9W）。顯然，選擇TOP249Y時(shí)電源效率最高，而器件的功耗為最低，但其價(jià)格要稍貴些。

2關(guān)鍵元件的典型參數(shù)值

TOPSwitch?GX在寬范圍輸入、輸出為5V或12V時(shí)，關(guān)鍵元件的典型參數(shù)值分別見表1和表2，所列數(shù)據(jù)可供設(shè)計(jì)開關(guān)電源時(shí)參考。表中，LP、LP0分別為高頻變壓器初級(jí)電感量和初級(jí)漏感量，f0是次級(jí)開路時(shí)高頻變壓器的諧振頻率，ZP、ZS依次為初級(jí)和次級(jí)繞組的交流阻抗，PL為磁芯的功率損耗。

3設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

必須指出，TOPSwitch?GX的快速設(shè)計(jì)法旨在提供設(shè)計(jì)開關(guān)電源的正確途徑，所得到的PD、η參數(shù)均為估計(jì)值。最終能否達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，還受諸多因素的影響。下面闡述設(shè)計(jì)過程中的一些注意事項(xiàng)。

3.1造成開關(guān)電源性能指標(biāo)降低的主要因素

（1）當(dāng)輸入濾波電容CIN的容量存在負(fù)偏差或因電容衰老而使容量減小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致直流輸入電壓UI降低，初級(jí)有效值電流增大，使可用芯片的選擇范圍減?。?

（2）受制造工藝的限制，高頻變壓器的初級(jí)電感量LP可能有較大的偏差。LP過大，需增大高頻變壓器的尺寸；而LP過小，會(huì)使初級(jí)脈動(dòng)電流和有效值電流增大，增加芯片的功耗，要采用較大功率的TOPSwitch?GX芯片；

（3）快速選擇曲線僅適合于交流輸入為正弦波。當(dāng)電網(wǎng)波形有嚴(yán)重失真時(shí)，會(huì)導(dǎo)致整流濾波后的UI降低，有可能使芯片欠壓保護(hù)。此時(shí)應(yīng)增大輸入濾波電容CIN的容量，或者降低PO值；

（4）初級(jí)感應(yīng)電壓UOR對(duì)電源效率有很大影響。UOR太高，不僅會(huì)增加鉗位保護(hù)電路的功耗，還容易燒毀鉗位二極管，進(jìn)而損壞TOPSwitch?GX芯片。另外，UOR過低，會(huì)降低輸出功率和電源效率；

（5）低壓輸出時(shí)，要求輸出濾波電容COUT的等效串聯(lián)電阻（ESR）必須很低，以免增加次級(jí)損耗；

（6）為提高電源效率，必須減小高頻變壓器的初級(jí)漏感LP0。正確的設(shè)計(jì)應(yīng)使LP0／LP的比值不超過1％～1.5％。否則，應(yīng)改進(jìn)高頻變壓器的結(jié)構(gòu)和制造工藝。測(cè)量LP0時(shí)，應(yīng)先把次級(jí)繞組短路，再用數(shù)字電感表或RLC自動(dòng)測(cè)量?jī)x測(cè)量初級(jí)繞組兩端的漏感《電源技術(shù)應(yīng)用》2001年9月第9期

量；

（7）開關(guān)電源的效率愈低，表明芯片功耗愈大。當(dāng)效率過低時(shí)有可能從快速曲線上查不到任何一條實(shí)曲線，此時(shí)虛線亦失效，這證明設(shè)計(jì)不合理，需重新設(shè)計(jì)。

3.2提高開關(guān)電源性能指標(biāo)的方法

（1）前面提到CIN的每W電容量推薦值，只是能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)并降低電容器成本的基本條件。但就電源效率和CIN的使用壽命而言，適當(dāng)提高每W的電容量值，定能達(dá)到更好的性能指標(biāo)，只是CIN的容量增大了，成本也會(huì)相應(yīng)增加；

（2）若已確信開關(guān)電源總處于低壓輸入情況，可適當(dāng)提高鉗位電壓UB和感應(yīng)電壓UOR。這樣雖然會(huì)增大次級(jí)峰值電流ISP，卻能提高總的電源效率并降低芯片功耗。令輸出整流管的反向耐壓值為U（BR）S，有下述關(guān)系式：UOR↑→D↓→IRMS↓→Tjmin↓→U(BR)S↓。這就便于選擇低耐壓、高效率的肖特基二極管作整流管；（3）對(duì)于TOPSwitch?GX芯片，可得到兩個(gè)互相獨(dú)立的最大輸出功率值。一個(gè)是通過設(shè)定工作參數(shù)（例如Dmax、）而得到的；另一個(gè)是由芯片最低結(jié)溫Tjmin所決定的熱狀態(tài)下最大輸出功率。快速選擇曲線未考慮Tjmin的限制，而后者可能使設(shè)計(jì)的輸出功率低于芯片最大輸出功率，此時(shí)可相應(yīng)增加初級(jí)電感量并改善散熱條件。將電源適配器設(shè)計(jì)在連續(xù)模式下工作，能夠降低芯片的功耗；

（4）使用快速選擇曲線的條件之一是TOPSwitch?GX在低于100℃結(jié)溫下工作。如能在較低的結(jié)溫下工作，會(huì)改善其輸出特性。此外，適當(dāng)增加散熱器面積，也有助于提高電源效率和輸出功率。