小功率通用開關電源的快速設計辦法

直流穩壓電源是現代電力電子系統中的緊要組成部分，好的直流電源系統是高質量現代電子系統的緊要保證。開關電源本身種類繁多，設計辦法也復雜多樣，因此研究一種簡潔的辦法去快速設計出所要的通用型高效率，低廉價格的開關電源是很有必要的。

1開關電源工作原理

開關直流穩壓電源是基于方波電壓的均勻值與其占空比成正比以及電感、電容電路的積分特性而形成的。其基本工作原理是，先對輸入交流電壓整流，從而形成脈動直流電壓，經過DC-DC變換電路變壓，再通過斬波電路形成了不同脈沖寬度的高頻交流電，然后對其整流濾波輸出要電壓電流波形。倘若輸出電壓波形偏離所需值，便有電流或電壓采樣電路進行取樣反饋，經過與比較電路的電壓值進行參數比較，把差值信號放大，從而控制開關電路的脈沖頻率f和占空比D,以此來控制輸出端的導通狀態。因此，輸出端便可以得到所需的電壓電流值。

如圖1,將開關電源模塊劃分為以下幾個部分。

依據電力系統的實際要，通過對各個部分進行分解，便可以設計出相應的開關電源產品。

圖1開關電源原理框圖。

2TopswitchⅡ簡介

TOpSwitch??是pOWER公司加工的高集成的用于開關電源的專用芯片。它將功率開關管與其控制電路集成于一個芯片內，并具有自動復位，過熱保護與過流保護等功能，其功能原理圖如圖2所示。當系統上電時，D引腳變為高電位，內部電流源開始工作且片內開關在0位，TOpSwitch給并接在C引腳的電容C5(見圖2)充電。當C5端電壓達到5.7V后，自動重起電路封閉，片內開關跳到1位。C5一方面供應TOpSwitch內部控制電路的電源，使誤差放大器開始工作，另一方面供應一反饋電流以控制開關管的占空比。MOSFET開關管的驅動信號由內部振蕩電路、保護電路和誤差放大電路共同出現。C5兩端的電壓愈高，MOSFET開關管驅動脈沖的占空比愈小。

3TOpSwitch芯片的選型

在設計開關電源時，首先就要面對要怎么樣選擇適宜的開關電源控制芯片。在選擇芯片的時候，要既能滿足要求，又不因為選型造成資源的浪費。下面就解析利用TopswitchⅡ系列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，快速選擇芯片的型號，從而完成寬范圍輸入的通用開關電源的設計。

圖2TOpSwitch芯片內部原理圖。

3.1pD,η，po關系曲線

寬范圍輸入的交流電壓為85~265V,在這種條件下，TOp221~TOp227系列單片開關電源的pD,η，po關系曲線如下，見圖3、圖4。

圖3寬范圍輸入且輸出為5V時pD,η，po關系曲線。

圖4寬范圍輸入且輸出為12V時pD,η，po關系曲線。

留意，這里假定交流輸入電壓最小值umin=85V,最高輸入電壓umax=265V.途中的橫坐標代表輸出功率，而15條虛線均為芯片功耗的等值線。

首先確定適用的曲線圖，例如，當u=85~265V,Uo=+5V時，應當選擇圖3;當u=220V(即230V-230V×4.3%)，Uo=+12V時，就應當選擇圖4;然后在橫坐標上找出欲設計的功率輸出點po;從輸出功率點垂直向上移動，知道選中適宜芯片所指的那條曲線。倘若不適用，可以持續向上查找另一條實線;然后從等值線(虛線)上讀出芯片的功耗pD,進而還可以求出芯片的結溫(Tj)以確定散熱片的大小。

例如，設計輸出5V,30W的通用開關電源時，就要選擇圖3.因為通用開關電源輸入交流電壓范圍85~265V.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.倘若覺得指標效率偏低，還可以持續往上查TOp225的實線。同理，選擇TOp225也能輸出30W的功率，而預期的電源效率可以提高到75%,芯片功耗可以降低1.7W.然后依據所得到的pD值，還可以進而完成散熱片設計。

3.2等效輸出功率的修正

pD,η，po關系曲線均對交流輸入電壓的最小值進行了限制，umin=85V.倘若交流輸入電壓最小值不符合上述的要求，就會筆直影響芯片的正確選擇。此時非得從實際的交流輸入電壓u?min最小值對應的功率p'o折算成umin為規定值時的等效功率po,才能使用上面的圖。功率修正的辦法如下：選擇使用的特性曲線，然后依據已知的u'min值查出折算系數K;將p'o折算成umin為規定值時的等效功率po,表達公式po=p'o/K;然后從圖3、圖4中選用適當的關系曲線。

圖5寬范圍輸入時K與u'min的關系。

例如設計12V,35W的通用開關電源，已知umin=90%×115V=103.5V.從圖5中查出K=1.15.將p'o=3.5W,K=1.15帶入po=p'o/K中，計算出po=30.4W;再依據po的值，從圖4中查出選擇的最佳型號是TOp224芯片，此時η=81.6%,pD=2W.倘若選擇了TOp223,則η降到73.5%,pD新增到5W,顯然不適宜。倘若選擇TOp225型，就會造成資源浪費，因為它比TOp224的價格要高一些，而且適合輸出40~60W的更大的功率。

4緊要元件參數計算

4.1變壓器變比的設計

開關變壓器的變比與開關變換電路的詳盡形式有關，正激、半橋變換電路中開關變壓器的變比公式為：

式中，Uin,Uout分別為開關變壓器的輸入和輸出電壓;Nin,Nout分別為開關變壓器初級和次級線圈的匝數。

當輸入電壓最低時，實際設計時應當按最低輸入電壓代入計算。

推挽電路的輸出電壓與輸入電壓之間的關系公式為：

Uout=2DUin/n

因此得到關系式：n=2DUin/Uout=N1/N2.

輸入電壓最低時，占空比D值最大，這時候依然能保持設計要求的輸出電壓，所以上式的D應取最大值，Uin取最小值。

4.2輸入濾波電容的選擇

輸入濾波電容器C的容量與電源效率，輸出功率密切相關，關于寬范圍輸入的開關電源，C的容量取μF為單位時，可按比例系數3μF/W來選取。例如當po=30W時，C=(3μF/W)×30W=90μF,以此類推。在固定輸入時，比例系數變成1μF/W,上例中的C就變成30μF.在設計開關電源時還要留意C的容量誤差要盡量小，以免影響開關電源的性能。當C的容量過小時，會降低TopswitchⅡ的可用功率。倘若把30μF改成20μF,則輸出功率會降低15%;當C

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