單片開關(guān)電源的快速設(shè)計(jì)法（單片開關(guān)電源技術(shù)講座之二）

摘要：單片開關(guān)電源是國際上90年代才開始流行的新型開關(guān)電源芯片。本文闡述其快速設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：單片開關(guān)電源 快速設(shè)計(jì) TOPSwith-Ⅱ

在設(shè)計(jì)開關(guān)電源時(shí)，首先面臨的問題是如何選擇合適的單片開關(guān)電源芯片，既能滿足要求，又不因選型不當(dāng)而造成資源的浪費(fèi)。然而，這并非易事。原因之一是單片開關(guān)電源現(xiàn)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；原因之二是選擇芯片時(shí)，不僅要知道設(shè)計(jì)的輸出功率PO，還必須預(yù)先確定開關(guān)電源的效率η和芯片的功率損耗PD，而后兩個(gè)特征參數(shù)只有在設(shè)計(jì)安裝好開關(guān)電源時(shí)才能測出來，在設(shè)計(jì)之前它們是未知的。

下面重點(diǎn)介紹利用TOPSwitch－II系列單片開關(guān)電源的功率損耗（PD）與電源效率（η）、輸出功率（PO）關(guān)系曲線，快速選擇芯片的方法，可圓滿解決上述難題。在設(shè)計(jì)前，只要根據(jù)預(yù)期的輸出功率和電源效率值，即可從曲線上查出最合適的單片開關(guān)電源型號及功率損耗值，這不僅簡化了設(shè)計(jì)，還為選擇散熱器提供了依據(jù)。

1 TOPSwitch－II的PD與η、PO關(guān)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(shí)PD與η，PO的關(guān)系曲線

TOP221～TOP227系列單片開關(guān)電源在寬范圍輸入（85V～265V）的條件下，當(dāng)UO=＋5V或者＋12V時(shí)，PD與η、PO的關(guān)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，最高交流輸入電壓Uimax=265V。圖中的橫坐標(biāo)代表輸出功率PO，縱坐標(biāo)表示電源效率η。所畫出的7條實(shí)線分別對應(yīng)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(shí)PD與η、PO的關(guān)系曲線

TOP221～TOP227系列在固定交流輸入（230V±15％）條件下，當(dāng)UO=＋5V或＋12V時(shí)，PD與η、PO的關(guān)系曲線分別如圖3、圖4所示。這兩個(gè)曲線族對于208V、220V、240V也同樣適用?，F(xiàn)假定Uimin=195V,Uimax=265V。

2 正確選擇TOPSwitch－II芯片的方法

利用上述關(guān)系曲線迅速確定TOPSwitch－II芯片型號的設(shè)計(jì)程序如下：

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

（2）然后在橫坐標(biāo)上找出欲設(shè)計(jì)的輸出功率點(diǎn)位置（PO）；

（3）從輸出功率點(diǎn)垂直向上移動(dòng)，直到選中合適芯片所指的那條實(shí)曲線。如不適用，可繼續(xù)向上查找另一條實(shí)線；

（4）再從等值線（虛線）上讀出芯片的功耗PD。進(jìn)而還可求出芯片的結(jié)溫（Tj）以確定散熱片的大??；

（5）最后轉(zhuǎn)入電路設(shè)計(jì)階段，包括高頻變壓器設(shè)計(jì)，外圍元器件參數(shù)的選擇等。

下面將通過3個(gè)典型設(shè)計(jì)實(shí)例加以說明。

例1：設(shè)計(jì)輸出為5V、300W的通用開關(guān)電源

通用開關(guān)電源就意味著交流輸入電壓范圍是85V～265V。又因UO=＋5V，故必須查圖1所示的曲線。首先從橫坐標(biāo)上找到PO=30W的輸出功率點(diǎn)，然后垂直上移與TOP224的實(shí)線相交于一點(diǎn)，由縱坐標(biāo)上查出該點(diǎn)的η=71.2％，最后從經(jīng)過這點(diǎn)的那條等值線上查得PD=2.5W。這表明，選擇TOP224就能輸出30W功率，并且預(yù)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(biāo)偏低，還可繼續(xù)往上查找TOP225的實(shí)線。同理，選擇TOP225也能輸出30W功率，而預(yù)期的電源效率將提高到75％，芯片功耗降至1.7W。

根據(jù)所得到的PD值，進(jìn)而可完成散熱片設(shè)計(jì)。這是因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)前對所用芯片功耗做出的估計(jì)是完全可信的。

例2：設(shè)計(jì)交流固定輸入230V±15％，輸出為直流12V、30W開關(guān)電源。

根據(jù)已知條件，從圖4中可以查出，TOP223是最佳選擇，此時(shí)PO=30W，η=85.2％，PD=0.8W。

例3：計(jì)算TOPswitch－II的結(jié)溫

這里講的結(jié)溫是指管芯溫度Tj。假定已知從結(jié)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(huán)境溫度為TA。再從相關(guān)曲線圖中查出PD值，即可用下式求出芯片的結(jié)溫：

Tj=PD·RθA＋TA (1)

舉例說明，TOP225的設(shè)計(jì)功耗為1.7W，RθA=20℃/W，TA=40℃，代入式（1）中得到Tj=74℃。設(shè)計(jì)時(shí)必須保證，在最高環(huán)境溫度TAM下，芯片結(jié)溫Tj低于100℃，才能使開關(guān)電源長期正常工作。

3 根據(jù)輸出功率比來修正等效輸出功率等參數(shù)

3．1 修正方法

如上所述，PD與η，PO的關(guān)系曲線均對交流輸入電壓最小值作了限制。圖1和圖2規(guī)定的Uimin=85V，而圖3與圖4規(guī)定Uimin=195V（即230V－230V×15％）。若交流輸入電壓最小值不符合上述規(guī)定，就會直接影響芯片的正確選擇。此時(shí)須將實(shí)際的交流輸入電壓最小值Uimin′所對應(yīng)的輸入功率PO′，折算成Uimin為規(guī)定值時(shí)的等效功率PO，才能使用上述4圖。折算系數(shù)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(shí)線所示。需要說明幾點(diǎn)：

（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(biāo)僅標(biāo)出Ui在低端的電壓范圍。

（2）當(dāng)Uimin′>Uimin時(shí)K>1，即PO′>PO，這表明原來選中的芯片此時(shí)已具有更大的可用功率，必要時(shí)可選輸出功率略低的芯片。當(dāng)Uimin′（3）設(shè)初級電壓為UOR，其典型值為135V。但在Uimin′85V時(shí)，受TOPSwitch－II調(diào)節(jié)占空比能力的限制，UOR會按線性規(guī)律降低UOR′。此時(shí)折算系數(shù)K=UOR′/UOR1。圖5和圖6中的虛線表示UOR′/UOR與Uimin′的特性曲線，利用它可以修正初級感應(yīng)電壓值。

現(xiàn)將對輸出功率進(jìn)行修正的工作程序歸納如下：

（1）首先從圖5、圖6中選擇適用的特性曲線，然后根據(jù)已知的Uimin′值查出折算系數(shù)K。

　?。?）將PO′折算成Uimin為規(guī)定值時(shí)的等效功率PO，有公式

PO=PO′/K （2）

（3）最后從圖1～圖4中選取適用的關(guān)系曲線，并根據(jù)PO值查出合適的芯片型號以及η、PD參數(shù)值。

下面通過一個(gè)典型的實(shí)例來說明修正方法。

例4：設(shè)計(jì)12V，35W的通用開關(guān)電源

已知Uimin=85V，假定Uimin′=90％×115V=103.5V。從圖5中查出K=1.15。將PO′=35W、K=1.15一并代入式（2）中，計(jì)算出PO=30.4W。再根據(jù)PO值，從圖2上查出最佳選擇應(yīng)是TOP224型芯片，此時(shí)η=81.6％，PD=2W。

若選TOP223，則η降至73.5％,PD增加到5W，顯然不合適。倘若選TOP225型，就會造成資源浪費(fèi)，因?yàn)樗萒OP224的價(jià)格要高一些，且適合輸出40W～60W的更大功率。

3．2 相關(guān)參數(shù)的修正及選擇

（1）修正初級電感量

在使用TOPSwitch－II系列設(shè)計(jì)開關(guān)電源時(shí)，高頻變壓器以及相關(guān)元件參數(shù)的典型情況見表1，這些數(shù)值可做為初選值。當(dāng)Uimin′Uimin時(shí)，由于電源效率和功率損耗均發(fā)生了變化，因此還需要對初級電感量LP進(jìn)行修正。有公式

LP′=KLP （3）

表1 高頻變壓器及其相關(guān)元件參數(shù)的典型值

查表1可知，使用TOP224時(shí)，LP=1475μH。當(dāng)K=1.15時(shí)，LP′=1.15×1475=1696μH。

表2 光耦合器參數(shù)隨Uimin′的變化