單片開關電源的快速設計法

在設計開關電源時，首先面對的問題是要怎么樣選擇適宜的單片開關電源芯片，既能滿足要求，又不因選型不當而造成資源的浪費。然而，這并非易事。原由之一是單片開關電源現已形成四大系列、近70種型號，即使采用同一種封裝的不同型號，其輸出功率也各不相同；原由之二是選擇芯片時，不僅要知道設計的輸出功率pO，還非得預先確定開關電源的效率η和芯片的功率損耗pD，而后兩個特點參數惟有在設計安裝好開關電源時才能測出來，在設計之前它們是未知的。

下面重點解析利用TOpSwitch－II系列單片開關電源的功率損耗（pD）與電源效率（η）、輸出功率（pO）關系曲線，快速選擇芯片的辦法，可圓滿處理上述難題。在設計前，只要依據預期的輸出功率和電源效率值，即可從曲線上查出最適宜的單片開關電源型號及功率損耗值，這不僅簡化了設計，還為選擇散熱器提

η/％(Uimin=85V)

中圖法分類號：TN86文獻標識碼：A文章編碼：0219?2713(2000)09?488?05

pO/W

圖1寬范圍輸入且輸出為5V時pD與η，pO的關系曲線

圖2寬范圍輸入且輸出為12V時pD與η，pO的關系曲線

圖3固定輸入且輸出為5V時pD與η，pO的關系曲線

供了根據。

1TOpSwitch－II的pD與η、pO關系曲線

TOpSwitch－II系列的交流輸入電壓分寬范圍輸入（亦稱通用輸入），固定輸入（也叫單一電壓輸入）兩種情況。二者的交流輸入電壓分別為Ui=85V～265V，230V±15％。

1．1寬范圍輸入時pD與η，pO的關系曲線

TOp221～TOp227系列單片開關電源在寬范圍輸入（85V～265V）的條件下，當UO=＋5V或者＋12V時，pD與η、pO的關系曲線分別如圖1、圖2所示。這里假定交流輸入電壓最小值Uimin=85V，最高

η/％(Uimin=85V)

η/％(Uimin=195V)

交流輸入電壓Uimax=265V。圖中的橫坐標代表輸出功率pO，縱坐標表示電源效率η。所畫出的7條實線分別對應于TOp221～TOp227的電源效率，而15條虛線均為芯片功耗的等值線（下同）。

1．2固定輸入時pD與η、pO的關系曲線

TOp221～TOp227系列在固定交流輸入（230V±15％）條件下，當UO=＋5V或＋12V時，pD與η、pO的關系曲線分別如圖3、圖4所示。這兩個曲線族關于208V、220V、240V也同樣適用。現假定Uimin=195V,Uimax=265V。

2正確選擇TOpSwitch－II芯片的辦法

利用上述關系曲線迅速確定TOpSwitch－II芯片型號的設計程序如下：

（1）首先確定哪一幅曲線圖適用。例如，當Ui=85V～265V，UO=＋5V時，應選擇圖1。而當Ui=220V(即230V－230V×4.3％)，UO=＋12V時，就只能選圖4；

（2）然后在橫坐標上找出欲設計的輸出功率點位置（pO）；

（3）從輸出功率點垂直向上移動，直到選中適宜芯片所指的那條實曲線。如不適用，可持續向上查找另一條實線；

（4）再從等值線（虛線）上讀出芯片的功耗pD。進而還可求出芯片的結溫（Tj）以確定散熱片的大小；

（5）最后轉入電路設計階段，包括高頻變壓器設計，外圍元器件參數的選擇等。

下面將通過3個典型設計實例加以說明。

例1：設計輸出為5V、300W的通用開關電源

通用開關電源就意味著交流輸入電壓范圍是85V～265V。又因UO=＋5V，故非得查圖1所示的曲線。首先從橫坐標上找到pO=30W的輸出功率點，然后垂直上移與TOp224的實線相交于一點，由縱坐標上查出該點的η=71.2％，最后從經過這點的那條等值線上查得pD=2.5W。這聲明，選擇TOp224就能輸出30W功率，并且預期的電源效率為71.2％,芯片功耗為2.5W。

若覺得η=71.2％的效率指標偏低，還可持續往上查找TOp225的實線。同理，選擇TOp225也能輸出30W功率，而預期的電源效率將提高到75％，芯片功耗降至1.7W。

依據所得到的pD值，進而可完成散熱片設計。這是因為在設計前對所用芯片功耗做出的估計是完全可信的。

例2：設計交流固定輸入230V±15％，輸出為直流12V、30W開關電源。

圖4固定輸入且輸出為12V時pD與η，pO的關系曲線

η/％(Uimin=195V)

圖5寬范圍輸入時K與Uimin′的關系

圖6固定輸入時K與Uimin′的關系

依據已知條件，從圖4中可以查出，TOp223是最佳選擇，此時pO=30W，η=85.2％，pD=0.8W。

例3：計算TOpswitch－II的結溫

這里講的結溫是指管芯溫度Tj。假定已知從結到器件表面的熱阻為RθA(它包括TOpSwitch－II管芯到外殼的熱阻Rθ1和外殼到散熱片的熱阻Rθ2)、環境溫度為TA。再從相關曲線圖中查出pD值，即可用下式求出芯片的結溫：

Tj=pD·RθA＋TA(1)

舉例說明，TOp225的設計功耗為1.7W，RθA=20℃/W，TA=40℃，代入式（1）中得到Tj=74℃。設計時非得保證，在最高環境溫度TAM下，芯片結溫Tj低于100℃，才能使開關電源長期正常工作。

3依據輸出功率比來修正等效輸出功率等參數

3．1修正辦法

如上所述，pD與η，pO的關系曲線均對交流輸入電壓最小值作了限制。圖1和圖2規定的Uimin=85V，而圖3與圖4規定Uimin=195V（即230V－230V×15％）。若交流輸入電壓最小值不符合上述規定，就會筆直影響芯片的正確選擇。此時須將實際的交流輸入電壓最小值Uimin′所對應的輸入功率pO′，折算成Uimin為規定值時的等效功率pO，才能使用上述4圖。折算系數亦稱輸出功率比（pO′/pO）用K表示。TOpSwitch－II在寬范圍輸入、固定輸入兩種情況下，K與U′min的特性曲線分別如圖5、圖6中的實線所示。要說明幾點：

（1）圖5和圖6的額定交流輸入電壓最小值Uimin依次為85V，195V，圖中的橫坐標僅標出Ui在低端的電壓范圍。

（2）當Uimin′>Uimin時K>1，即pO′>pO，這聲明原來選中的芯片此時已具有更大的可用功率，必要時可選輸出功率略低的芯片。當Uimin′（3）設初級電壓為UOR，其典型值為135V。但在Uimin′

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