基于TOP234Y和8051的多路開關電源設計

摘要：分析一種采用TOP234Y型多功能單片機開關電源與8051型單片機結合設計多路開關電源的方案，同時介紹TOP34Y的內部結構及工作原理，給出該開關電源的主電路及外圍電路的設計方法。

關鍵詞：開關電源 TOP234Y 8051型單片機

引言

電源歷來是各種電子設備中不可缺少的組成部分，其性能優(yōu)劣直接關系到電子設備的技術指標及能否安全可靠地工作。單片開關電源自問世以來便顯示出其強大地優(yōu)越性，是設計開發(fā)各種高效率中、小功率開關電源的優(yōu)勢器件。隨著生產、生活中自動化程度的不斷提高，開關電源也朝著智能化方向發(fā)展，由微控制器控制的開關電源將單片開關電源與單片機控制相結合，更加體現了開關電源的可靠性和靈活性。本文介紹一種TOPSwitch-FX系列與單片機結合設計的開關電源。

1 TOPSwitch-FX系列簡介

TOPSwitch-FX系列是美國PI公司推出的具有高性價比的5端單片開關電源集成電路，包括TOP232P/G/Y-TOP234P/G/Y。

1．1 TOPSwitch-FX系列的引腳功能

TOP234Y采用TO-220-7B封裝，有5個引腳，分別是控制端C、多功能端M、源極S、開關頻率選擇端F、漏極D。各管腳的功能如下：

控制端C：誤差放大器和反饋電流的輸入端，用于占空比控制。

圖1

多功能端M：線路過壓、欠壓保護輸入端；連接線電壓前饋以降低最大占空比；電流極限外部設定端；遠端開/關遙控及同步；將該端與S端短接將禁止芯片功能，使其工作在簡單的3端模式下。

源極S：連接內部MOSFET功率管的源極，最初級控制電路的公共端和參考點。

開關頻率選擇端F：用于選擇開關頻率的輸入端，該端與S端相連可得到130kHz開關頻率，這有助于減小高頻變壓器的體積。該端與C端連接可得到65kHz開關頻率。待機模式下選擇半頻（65kHz）工作模式能將電源功耗降至最低。P與G系列的TOPSwith沒有開關頻率選擇端F。

漏極D：連接內部高壓MOSFT功率管的漏極，通過內部開關高壓電流源提供啟動偏置電流。

1．2 TOPSwitch-FX系列的內部結構

TOPSwitch-FX系列的內部結構如釁1所示，主要由以下部分組成：控制電壓端、基隙基準電壓源、頻率抖動振蕩器、并聯(lián)調整器/誤差放大器、脈寬調制器、過流比較器、門驅動級和輸出級、逐步形具有滯后特性的過熱保護電路、關斷/自動重啟動電路、高壓電流源泉、軟啟動電路、欠電壓比較器、電流極限調節(jié)器、線路檢測器、多功能端的內部電路。其工作原理是通過反饋電流來調節(jié)占空比。

2 TOP234Y與8051的開關電源設計

筆者設計的開關電源具有3路輸出電壓，分別是U01（5V，2.5A）、U02（5V，150mA）、U03（12V，1A），總功率25W。其中的U02主要是為8051或8051需增加的其他外設器件（如EEPROM）供電，U01和U03是為需大電壓大電流的設備供電。設計中主要使用1個TOP234Y、3個光耦合器LTV817A及1個8051單片機。具體設計電路和器件參數如圖2所示。

2．1 主電路設計

將除TOP234Y和8051外的電路稱為主電路。電壓輸入電流為交流85V～265V，可適用于大多數應用場合。為承受可能從電網竄入的雷擊電壓，在交流輸入端并聯(lián)1只壓敏電阻器VSR，并且加入1只熔斷器，以保證整個電路的安全。為了抑制電路的電磁干擾，在交流側串入電磁干擾濾波器（由C0，L1組成）來抑制開關電源的上升時間以及變壓器振動等產生的噪音。

交流電經過橋式整流器和C1整流濾波后產生高壓直流來給高頻變壓器的一次繞組供電。VS1和VD1能將漏感產生的尖峰電壓箝位到安全值，并能衰減振鈴電壓。VS1采用反向擊穿電壓為200V的P6KF200型瞬態(tài)電壓抑制器，VD0采用1A/600V的UF4006型超快恢復二極管。C1為安全電容，接在直流高壓端和地之間，能濾除一次繞組、二次繞組耦合電容產生的共模干擾。

高頻變壓器采用EEL25。為減少高頻變壓器體積和增強磁場耦合程度，二次繞組采用了堆疊式繞法。二次繞組中的一路電壓經過VD2、C2、L2及C3整流濾波后得到所需的電壓。由于單片開關電源的開關頻率較高，因此在輸出整流管關斷后的反向恢復過程中，會產生開關噪音，容易損壞整流管，而由阻容元件組成的RC電路雖然能對保護二極管和降噪起到一定作用，但效果不很理想，還會在電阻器上產生功率損耗，因此這里選用電感器來代替電阻器。渺茫 皮電感器L2選用3.3VμH穿心電感器，可濾除VD2在反向恢復過程中產生的開關噪音。基于以上考慮，次級繞組的其它幾路輸出均采用此方法濾波和消噪。反饋繞組不僅直接作為一路輸出電壓，而且還為TOP234Y提供了所需偏壓。C6為保護電容器，用于濾除由一次、二次繞組耦合電容器引起的干擾。

圖2

2．2 控制電路設計

控制電路主要指單片機開關電源器件TOP234Y和單片機8051的外圍電路。開關電源部分主要由TOP234Y（U1）、線性光耦合器LTV817A（U2）組成?？刂撇糠种饕蓡纹?051、線性光耦合器LTV817A（U3、U4）、按鍵SB組成。

利用TOP234Y的M端?？山浗M成以下三種形式的開關電路，如圖3（a）～(c)所示。圖3（a）為帶極限電流設定的ON激活方式通/斷電路，圖3（b）為帶極限電流設定的OFF激活方式通/斷電路，圖3（c）為帶線性傳感器的OFF激活方式通/斷電路。圖中的開關管QR即可用炮耦合器也可以用手動開關。其中“ON激活”是指當ON/OFF端為高電平時開關電源激活，反之低電平激活的稱為“OFF激活”。本文采用的是第一種控制方式，線路簡單，元件相對少。

當開關按鍵SB按下時VD5導通，TOP234Y的M和S接通，電路工作在三端模式，多功能端和開關頻率選擇端不起作用。這時U02有電壓輸出并為8051供電，8051經過初始程序復位后正常工作，流過U3上的電流使光耦合器接通，隨后8051檢測到P1.0被拉至低電平，程序接收到中斷后轉入TOP234Y啟動程序，接著給P1.1一個信號驅動U4，從而將TOP234Y的多功能端M和開關頻率選擇端F接通，使TOP234Y保持在接通狀態(tài)，正常工作。

當需要關斷時（TOP234Y并不完全關斷），可按下SB，一樣通過U3將信號傳輸給8051，8051的P1.0檢測到低電平信號后，將轉入關斷程序，根據需要，這期間8051還可執(zhí)行別的操作，比如保存數據、安全停止正在運行的外部設備等。8051的操作完成后，再轉入關斷程序，從P1.1給出信號，將U4截止，這樣一來TOP234Y的漏極電流僅為0.6μA，功耗非常小。

若8051不由該開關電源供電，而改由其他設備供電時，則可以在8051內設置定時啟動程序，預定的時間到后，P1.1輸出信號直接將TOP234Y的M和F端短接，TOP234Y隨之啟動。輸出的電壓可以帶動外部設備，從而實現定時自動運行，如果接入遙控程序和設備，還可以實現遠端遙控定時啟動。

基于8051的開關電源設計還有許多方法，例如在圖2所示的設計圖中，用8051來控制TOP234Y的源極S端、控制端C和開關頻率選擇端F的通斷就可以實現開關頻率切換，將F端接C端就可以實現65kHz的開關頻率，在視頻控制中選擇這種半頻工作可以進一步降低設備對視頻噪音的敏感程度。

圖3

2．3 設計使用中應注意問題

（1）由于開關電源的軟啟動時間和8051的復位初始化時間都可以起到延遲作用，因此，按鍵SB上不需要加防抖動電路，這也就需要將SB按到底，給開關電源和8051以足夠的時間啟動，而不能只是輕輕點擊一下按鍵，否則無法啟動。

（2）如果按鍵SB、U3及U4距離TOP234Y的M端不夠近，則需并入電容CN以消除開關時的噪音。

3 結論

TOPSwitch-FX系列內部集成了功率開關MOSFET及各種保護電路，配合外部電路可以實現多達14種控制功能，而將該電路與微控制器（不限于8051）結合使用則能實現更多功能并體現設計的靈活性。本文僅給出部分功能的實現方法，更多TOPSwitch-FX與微控制器結合設計的電路有待于進一步開發(fā)。