TOPSwitch\ FX系列单片 开关电源的快速设计法* 河北科技大学 沙占友李春明武卫东 摘要介绍TOPSwitch\ FX系列单片开关电源的快速设计方法及应用实例，给出4种快速选择曲线。通过这些曲线，可快速选择TOPSwitch\ FX芯片、估算电源效率和芯片功耗。文中还给出2个应用实例。对于宽范围输入情况，给出一些典型参考值。文尾提出一些设计注意事项和提高开关电源性能指标的方针。 关键词单片开关电源外部限流快速设计参数选择 *本刊第1期介绍了TOPSwitch\ FX系列单片开关电源原理;第2期介绍了TOPSwitch\ FX系列单片开关电源的应用;本期介绍它的快速设计方法。图1宽范围输入、5V输出时PD与η,PO的关系曲线TOPSwitch\ FX属于具有高性价比的5端单片开关电源。下面介绍利用特性曲线快速选择TOPSwitch\ FX芯片并估算电源效率η和芯片功耗PD的方法。通常情况下，η和PD只能等设计后期甚至调试样机时才能得到。因此，快速设计法可作为设计单片开关电源的重要工具。 一、 快速选择TOPSwitch\ FX芯片的方法 TOPSwitch\ FX的交流输入方式有2种：宽范围输入，85～265V，亦称通用输入;固定输入，230（1±015）V，也叫单电压输入。下面介绍4种快速选择曲线及其使用方法和设计实例。 1. 宽范围输入时PD与η，PO的关系曲线 TOPSwitch\ FX系列产品在宽范围输入条件下，当UO=+5V，+12V时，芯片功耗（PD）与电源效率（η）、输出功率（PO）的关系曲线，分别如图1、图2所示。这里假定条件为开关频率f=130kHz，uAC=85～265V，uAC min=85V，输入滤波电容CIN两端的平均电压UIDC=105V图2宽范围输入、12V输出时PD与η,PO的关系曲线（峰值为120V、谷值为90V），CIN的容量按3μF/W的比例系数选取，感应电压UOR=135V，漏极钳位电压UB=200V。输出整流管采用肖特基二极管。TOPSwitch\ FX在额定输出时的最低结温Tj min=100℃。图中，横坐标代表PO，纵坐标代表η。所给出的3条实线依次对应于TOP232～TOP234的电源效率;虚线则表示芯片功耗的等值线。 图3固定输入、5V输出时PD与η,PO的关系曲线2. 固定输入时PD与η，PO的关系曲线 TOPSwitch\ FX系列产品在固定输入条件下，当UO=+5V，+12V时，PD与η，PO的关系曲线，分别如图3、图4所示。这里假定uAC=230(1±015)V，uAC min=195V，UDCI=250V（峰值为275V、谷值为230V），CIN的容量按1μF/W的比例系数选取。其余条件同上。 图4固定输入、12V输出时PD与η,PO的关系曲线3. 快速选择曲线的使用方法 利用上述曲线能快速选择TOPSwitch\ FX芯片，并得到电源效率和功耗的估计值，也为选择散热器提供了依据。由于这些曲线反映了PD，η和PO参数的内在联系，因此，所得到的估计值是可信的。 使用快速选择曲线的方法如下： （1） 根据预先确定好的u和UO值，选择适用的特性曲线; （2） 从横坐标查出预期的输出功率点（PO）; （3） 沿此功率点垂直向上移动，直到与第1条实曲线相交; （4） 读出该交点对应于纵坐标的电源效率值; （5） 确定该效率值是否满足设计要求，如不满足，再向上移动查找其余曲线; （6） 从虚线（等值线）上读出所选芯片的功耗PD，供设计散热器时参考。 须要指出，设计人员所预期的输出功率值可能对应于几种不同型号的芯片。此时从横坐标垂直上移时所遇到的第1条实曲线，就代表输出功率最小、成本最低的TOPSwitch\ FX芯片;遇到的最后1条实曲线，则表示功率最大、效率最高、价格较贵的芯片。应根据实际情况合理地选择。 4. 应用实例 例1设计1个宽范围输入，输出为5V、30W的开关电源。 从图1所示曲线上可以查出，当PO=30W时，只能选TOP234芯片。此时交点所对应的电源效率为69.3%,TOP234的功耗为3.3W。 例2设计1个宽范围输入，输出为12V、13W的电源适配器。 由图2可以查出，适合PO=13W的芯片型号有2种：TOP232和TOP233。所不同的是选择TOP232时，η=76%，PD=1.5W;若选TOP233，则η=82.7%，PD=0.75W。考虑到电源适配器密封在塑料盒内,散热条件较差,要求Tj min≤100℃。DIP\ 8封装的芯片，其结到管壳的热阻RθA=5℃/W，管壳经印制版敷铜箔散热器到空气的热阻Rθd=28℃/W，因此,从结到空气的总热阻Rθ=RθA+Rθd=33℃/W。假定最高环境温度TAM=50℃，塑料盒内还有大约25℃的温升ΔT，即盒内温度TA′=TAM+ΔT=75℃。根据下式可计算出额定输出时芯片的最低结温： Tj min=TA′+Rθ·PD 对TOP232P而言，PD=15W时，Tj min=75+33×1.5=124.5℃＞100℃;对于TOP233P，PD=0.75W时不难算出 Tj min=99.75℃＜100℃。显然,正确的选择应是TOP233P，不仅其结温低，而且电源效率可达82.5%。 二、 关键元件的典型参数值 TOPSwitch\ FX在宽范围输入时，关键元件的典型参数值，如表1所列，可供设计开关电源时参考。 表1宽范围输入时关键元件的典型参数 参数〖〗UO=5V[]UO=12V名称〖〗符号/单位〖〗TOP232〖〗TOP233〖〗TOP234〖〗TOP232〖〗TOP233〖〗TOP234高频变压器最大初级电感〖〗LP/μH〖〗2930〖〗1500〖〗960〖〗3050〖〗1550〖〗1050高频变压器初级泄漏电感〖〗LP0/μH〖〗44〖〗22〖〗14〖〗46〖〗16〖〗11次级开路时高频变压器的谐振频率〖〗 f0/Hz〖〗750〖〗800〖〗850〖〗750〖〗800〖〗850初级线圈直流电阻 〖〗RP/mΩ〖〗2.00〖〗1.06〖〗0.70〖〗2.40〖〗1.20〖〗0.80次级线圈直流电阻 〖〗RS/mΩ〖〗12〖〗6〖〗4〖〗30〖〗15〖〗10磁芯损耗〖〗/mW〖〗100〖〗200〖〗250〖〗100〖〗200〖〗250三、 设计注意事项 必须指出，TOPSwitch\ FX的快速设计法，目的在于提供设计开关电源的正确途径，所得到的PD和η参数均为估计值。最终能否达到设计指标，还受诸多因素的影响。下面阐述设计过程中的一些注意事项。 1. 降低开关电源性能指标的主要因素 （1） 绘制快速选择曲线时，假定交流电源为纯净的正弦波。当电网波形有严重失真时，会导致整流滤波后的UI降低，有可能使芯片欠压保护。此时应增大输入滤波电容CIN的容量，或者降低PO值。 （2） 受制造工艺的限制，高频变压器的初级电感量LP可能有较大的偏差。当LP过大时，会导致初级脉动电流与峰值电流的比值KRP过低，通常取KRP≥0.4。若LP过低，初级的峰值电流IP和有效值电流IRMS会增大，可能造成未加最大负载时芯片已提前进行过流保护。 （3） 低压输出时要求输出滤波电容COUT的等效串联电阻必须很低，以免增加次级损耗。 （4） 为提高电源效率，必须减小高频变压器的初级漏感LP0。正确的设计应使LP0 /LP =1%～15%。否则，应改进高频变压器的结构和制造工艺。测量LP0时，应先把次级绕组短路，再用数字电感表或RLC自动测量仪测量初级绕组两端的漏感量。 （5） 开关电源的效率愈低，表明芯片功耗愈大。当效率过低时有可能从快速曲线上查不到任何1条实曲线，此时虚线亦失效。这证明设计不合理，须重新设计。 （6） 初级感应电压UOR对电源效率有很大影响。UOR太高，不仅会增加钳位保护电路的功耗，还容易烧毁钳位二极管，使之击穿后短路，进而损坏TOPSwitch\ FX芯片。另外，UOR过低，会降低输出功率。 2. 提高开关电源性能指标的方法 （1） 前面提到CIN的每瓦电容量推荐值，只是能满足设计指标并降低电容器成本的基本条件。但就电源效率和CIN的使用寿命而言，适当提高每瓦的电容量值，定能达到更好的性能指标，只是CIN的容量增大了，成本也会提高。 （2） 若已确信开关电源总处于低压输入情况，可适当提高钳位电压UB和感应电压UOR。这样虽然会增大次级峰值电流ISP，却能提高总的电源效率并降低芯片功耗。令输出整流管的反向耐压值为U（BR)，有下述关系式：UOR↑→D↓→IRMS↓→Tj min↓→U(BR)S↓。 （3） 对于TOPSwitch\ FX芯片，可得到2个互相独立的最大输出功率值。一个是通过设定工作参数（例如Dmax，I′LIMIT）而得到的;另一个是由芯片最低结温Tj min所决定的热状态下最大输出功率。快速选择曲线未考虑Tj min的限制，而后者可能使设计的输出功率低于芯片最大输出功率，此时，可相应增加初级电感量并改善散热条件。设计电源适配器时，通过减小KRP值能够降低芯片的功耗。 （4） 使用快速选择曲线的条件之一是TOPSwitch\ FX在100℃结温下工作。如能在较低的结温下工作，会改善其输出特性。此外,增加散热器的有效散热面积，也有助于提高电源效率和输出功率。MES 参考文献 1沙占友.新编实用数字化测量技术.北京:电子工业出版社，1998