電池知識
鋰離子、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、新能源
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摘要：本文解析了第二代TOp開關芯片TOp224p的工作原理及功能特點，并敘述了其在雙路輸出開關電源設計中的詳盡使用。
關鍵詞：整流濾波占空比
1引言
美國TOpSWitch公司加工的第一代TOp開關芯片在開關電源的設計中已得到了廣泛使用。目前，該公司又最新推出了第二代開關芯片TOpSWitch-Ⅱ系列，與第一代TOp開關相比，性能有很大提高，AD/DC效率高達90%，并具有輸出功率范圍大，成本低，集成化程度高，電路設計簡單等特點。芯片內的許多電路都作了改進，使開關電源的設計更加容易。本文使用的TOp224p是TOpSWitch-Ⅱ系列中的芯片。
2TOp224p芯片簡介
2.1管腳解析
該芯片由漏極端、控制端、源極端三個管腳組成。
漏極端(DRAIN腳)與輸出MOSFET漏極連接。啟動時，提供內部偏置電流，控制端(CONTROL腳)控制輸出占空比，是誤差放大器和反饋電流的輸入端。正常工作時，由內部并聯穩壓器提供內部偏置電流，也可以作電流旁路和自動啟動/補償電路電容的接點，源極端(SOURCE腳)和輸出MOSFET的源極連接，也是開關電源初級電路的公共點和參考點。
2.2芯片內部工作原理解析
芯片內部工作原理框圖如圖1所示。該芯片由MOSFET.pWM控制器、高壓啟動電路環路補償和故障保護電路等部分組成。詳盡工作過程如下：在控制端環路振蕩電路的控制下，漏極端有電流輸入芯片提供開環輸入，該輸入通過并聯穩壓運放誤差放大器時，由控制端進行閉環調整，改變IFB，經pWM控制MOSFET的輸出占空比，最后達到動態平衡。
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圖1芯片內部工作原理框圖
2.3芯片功能特點解析
TOp224p是一個自編置、自保護的電流--占空比線性控制轉換器。由于采用CMOS工藝，轉換效率與采用雙集成電路和分立元件相比，偏置電流大大減少，省去了用于電流傳導和提供啟動偏置電流的外接電阻。在正常工作時，內部MOSFET輸出脈沖的占空比隨著CONTROL腳電流的增加而線性減少。
TOp224p通過高壓電流源的接通和斷開，使控制電壓VC保持在4.7-5.7V之間。芯片內部電壓都取自具有溫度補償的帶隙基準電壓，能萌生可微調的溫度補償電流源，用來精確地調節振蕩的頻率和MOSFET的柵極驅動電流。振蕩器額定頻率選為100KHz，可降低EMI，提高電源的效率。柵極驅動電流可逐周限流微調，從而提高精度。
此外，該芯片還有關斷/自動重新啟動、過熱保護等自身保護功能。
3TOp224p在雙路輸出開關電源設計中的使用
3.1開關電源電路及工作原理
以+5V、+12V、20W雙路輸出開關電源為例，電路圖如圖2所示。
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圖220W雙路輸出開關電源電路圖
交流電源電壓經BR1整流和C1濾波后，萌生高壓直流電壓加至變壓器T1和初級線圈一端，變壓器初級線圈另一端接TOp224p。用VR1和D1來箝位變壓器漏電感引腳的脈沖前沿尖峰。通過D3、C9、L3、C10整流濾波，再由7812穩壓塊進行穩壓后，筆直得到+12V輸出電壓。變壓器次級線圈通過D2、C2、L1、C3整流濾波后，萌生+5V直流輸出電壓。R2、VR2組成一穩壓電路，提高負載調整能力。次級線圈T1-4兩端電壓經D4、C4整流濾波，提供TOp224p所需的偏置電壓。L2、G、C8可以減弱由變壓器原端線圈和原端到副端等效容性阻抗萌生的高壓開關波形引起的共模電流。L2、C6組成電磁干擾濾波器，減弱由變壓器原端梯形電流的基波和高次諧波干擾萌生的差模電流。C5、R3與控制端阻抗ZC設置自啟動周期。
3.2開關電源電路主要元件選擇
1)開關芯片的選擇
TOpSwitceh-Ⅱ系列芯片的選擇參考表，如表1所示。
依據輸出功率的要求應選擇TOp223p或TOp224p，現選擇TOp224p。
2)高壓變壓器的選擇
變壓器原端線圈T1-1電感量依照輸出功率選擇，20W輸出功率、50%占空比時，Lmax=630μH，
對于+5V輸出電壓的副線圈T1-3和原端線圈T1-1的匝數比：
其中Vmax=200V(VR1的穩壓值的200V)，V0=+5V,Dmax=50%，故線圈匝數比為40。
副端線圈T1-4的匝數和線徑與副線圈T1-3一致。
對于+12V輸出電壓的副線圈T1-2，其線徑與T1-3一致，匝數和T1-1匝數比：
其中V0應比+12V至少大2V。
3)VR1的選擇
VR1要有足夠的功率，在大電流輸出的條件下，VR1的峰值電壓應比反向輸出電壓高30V-80V，這里選擇p6KE200，峰值電壓為287V。
4)其它緊要元件的選擇
5)自啟動周期的選擇
自啟動周期的計算公式：
T=8×(2πRC)=16π(R3+Zc)C5，其中，典型值Zc=15，芯片控制振蕩頻率f=100KHz，故R3=6.2,C5=47μF。
4開關電源輸出紋波的抑制
開關電源存在輸出紋波大，電磁干擾強等不足，嚴重影響了開關電源的廣泛使用。在圖2電路中，C9、L3，C10和C2、L1、C3分別用來抑制來自超高頻和高頻噪聲；U2，TOp224p組成有源低頻濾波器，用來抑制輸出交流噪聲；C7、C8組成共模干擾濾波器，用來抑制寄生參數的共模噪聲。在三種濾波器的共同作用下，使開關電源的輸出紋波由原來的340mV降為30mV，進一步張大了開關電源的使用。
5結束語
本文使用TOp224p設計了雙路輸出開關電源，該電源不僅具有效率高，輸出電壓紋波小，帶負載能力強、成本低、設計電路簡單等特點，而且還具有溫度補償、逐周限流、過熱保護、自動重新啟動等功能。該開關電源已在GDJ-100型稱重控制器中得到使用，電源工作穩定，可靠性強，具有實用和推廣價值。
參考文獻
［1］福州高喬電子有限公司，電源集成電路數據手冊，1995.6。
［2］童詩白等編，模擬電子技術基礎，北京人民教育出版社，1921。
［3］房國志，張靜，DGJ-100型稱重控制器的研制，自動化技術與使用，1998.4。
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