單片開關電源的快速設計法

時間：2024-08-13 19:59:24 工程力學畢業論文我要投稿

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單片開關電源的快速設計法

摘要：單片開關電源是國際上90年代才開始流行的新型開關電源芯片。本文闡述其快速設計方法。

關鍵詞：單片開關電源快速設計

topswith? ⅱ

the way of quick design for single? chip switching power supply abctract:three? ends single? chip switching power supply is new type switching power supply core which has been popular since 1990.this paper introduces quick design for single? chip switching power supply.

keywords:single? chip switching power supply,quick design,topswith? ⅱ

在設計開關電源時，首先面臨的問題是如何選擇合適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。原因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；原因之二是選擇芯片時，不僅要知道設計的輸出功率po，還必須預先確定開關電源的效率η和芯片的功率損耗pd，而后兩個特征參數只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。

下面重點介紹利用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，快速選擇芯片的方法，可圓滿解決上述難題。在設計前，只要根據預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

供了依據。

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。這兩個曲線族對于208v、220v、240v也同樣適用。現假定uimin=195v,uimax=265v。

2正確選擇topswitch－ii芯片的方法

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，直到選中合適芯片所指的那條實曲線。如不適用，可繼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，故必須查圖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。這表明，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，還可繼續往上查找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。

根據所得到的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

根據已知條件，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℃。設計時必須保證，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根據輸出功率比來修正等效輸出功率等參數

3．1修正方法

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，就會直接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。需要說明幾點：

（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，這表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′<85v時，受 topswitch－ ii調節占空比能力的限制， uor會按線性規律降低 uor′ 。此時折算系數 k="uor′" /uor<1。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電壓值。

現將對輸出功率進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，然后根據已知的uimin′值查出折算系數k。

　　（2）將po′折算成uimin為規定值時的等效功率po，有公式

po=po′/k（2）

（3）最后從圖1～圖4中選取適用的關系曲線，并根據po值查出合適的芯片型號以及η、pd參數值。

下面通過一個典型的實例來說明修正方法。

例4：設計12v，35w的通用開關電源

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，計算出po=30.4w。再根據po值，從圖2上查出最佳選擇應是top224型芯片，此時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，因為它比top224的價格要高一些，且適合輸出40w～60w的更大功率。

3．2相關參數的修正及選擇

（1）修正初級電感量

在使用topswitch－ii系列設計開關電源時，高頻變壓器以及相關元件參數的典型情況見表1，這些數值可做為初選值。當uimin′ lp′=klp（3）