发布时间：2014-11-04 来源：人大经济论坛

单片开关电源的快速设计方案(一)_电子信息工程专业毕业论文 内容摘要：单片开关电源是国际上90年代才开始流行的新型开关电源芯片。本文阐述其快速设计方法，TOPSwitch-GX是2000年底国际上最新推出的第四代单片开关电源系列产品。文中介绍了TOPSwitch-GX的工作原理，重点阐述其测试技术，包括对TOPSwitch-GX集成电路、开关电源稳压性能及高频变压器电气性能的测试，TOPSwitch-GX系列是美国Power Integra-tions公司继TOPSwitch-GX、 TOPSwitch-GX-II和四代单片开关电源集成电路，现已作为主流产品进行推广，可广泛用于仪器仪表、笔记本电脑、移动电话、电视机、DVD、摄录像机、手机电池充电器等领域。对TOPSwitch-GX系列单片机开关电源的测试是一项新技术，它对于评价单片开关电源的技术指标至关重要。 关键词：单片开关电源快速设计；击穿电压；稳压性能 目 录 引言1 第 一 章 宽范围输入且输出为5V时PD与η，PO的关系曲线2 第 二章 正确选择TOPSwitch－II芯片的方法5 2．1利用上述关系曲线迅速确定TOPSwitch－II芯片型号的设计程序如下5 2．2下面将通过3个典型设计实例加以说明5 第 三 章 根据输出功率比来修正等效输出功率等参数8 3．1修正方法8 3．2相关参数的修正及选择8 第 四 章2TOP开关结构及工作原理11 4.1结构11 4.2工作原理11 结 论14 致 谢15 引 言 开关电源被誉为高效节能型电源，它代表着稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品。半个世纪以来，开关电源大致经历了四个发展阶段。早期的开关电源全部由分立元件构成，不仅开关频率低，效率不高，而且电路复杂，不易调试。20世纪70年代研制出的脉宽调制器集成电路，仅对开关电源中的控制电路实现了集成化。80年代问世的单片开关式稳压器，将脉宽调制器、功率输出级、保护电路等集成在一个芯片中，但需配工频变压器与电网隔离，从本质上讲它仍属于DC／DC电源变换器。直到如年代中、后期，随着各种类型单片开关电源集成电路(以下简称单片开关电源)的问世，AC／DC电源变换器的集成化才终于变成了现实。 单片开关电源集成电路具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标等优点，能构成高效率无工频变压器的隔离式开关电源。各种单片开关电源自1994—2000年陆续推出以来，逐渐显示出其强大的生命力，目前已成为国际上开发中、小功率开关电源、精密开关电源及开关电源模块的优选集成电路。它被广泛用于仪器仪表，办公自动化设备，无线通信设备，笔记本电脑，彩色电视机，摄、录像机，AC／DC电源适配器等领域。所构成的开关电源在成本上与相同功率的线性稳压电源相当，而其电源效率显著提高，体积与重量大为减小。这就为新型开关电源的推广与普及，创造了良好条件。 第 一 章 宽范围输入且输出为5V时PD与η，PO的关系曲线 宽范围输入时PD与η，PO的关系曲线 PO/W 图1-1宽范围输入且输出为5V时PD与η，PO的关系曲线 图1-2宽范围输入且输出为12V时PD与η，PO的关系曲线 图1-3固定输入且输出为5V时PD与η，PO的关系曲线 TOP221～TOP227系列单片开关电源在宽范围输入（85V～265V）的条件下，当UO=＋5V或者＋12V时，PD与η、PO的关系曲线分别如图1、图2所示。这里假定交流输入电压最小值Uimin=85V，最高 η/％(Uimin=85V) η/％(Uimin=195V) 交流输入电压Uimax=265V。图中的横坐标代表输出功率PO，纵坐标表示电源效率η。所画出的7条实线分别对应于TOP221～TOP227的电源效率，而15条虚线均为芯片功耗的等值线。 第 二章 正确选择TOPSwitch－II芯片的方法 2．1利用上述关系曲线迅速确定TOPSwitch－II芯片型号的设计程序如下 （1）首先确定哪一幅曲线图适用。例如，当Ui=85V～265V，UO=＋5V时，应选择图1。而当Ui=220V(即230V－230V×4.3％)，UO=＋12V时，就只能选图4； （2）然后在横坐标上找出欲设计的输出功率点位置（PO）； （3）从输出功率点垂直向上移动，直到选中合适芯片所指的那条实曲线。如不适用，可继续向上查找另一条实线； （4）再从等值线（虚线）上读出芯片的功耗PD。进而还可求出芯片的结温（Tj）以确定散热片的大小； （5）最后转入电路设计阶段，包括高频变压器设计，外围元器件参数的选择等。 2．2下面将通过3个典型设计实例加以说明 例1：设计输出为5V、300W的通用开关电源 通用开关电源就意味着交流输入电压范围是85V～265V。又因UO=＋5V，故必须查图1所示的曲线。首先从横坐标上找到PO=30W的输出功率点，然后垂直上移与TOP224的实线相交于一点，由纵坐标上查出该点的η=71.2％，最后从经过这点的那条等值线上查得PD=2.5W。这表明，选择TOP224就能输出30W功率，并且预期的电源效率为71.2％,芯片功耗为2.5W。 若觉得η=71.2％的效率指标偏低，还可继续往上查找TOP225的实线。同理，选择TOP225也能输出30W功率，而预期的电源效率将提高到75％，芯片功耗降至1.7W。 根据所得到的PD值，进而可完成散热片设计。这是因为在设计前对所用芯片功耗做出的估计是完全可信的。 例2：设计交流固定输入230V±15％，输出为直流12V、30W开关电源。 图2-1固定输入且输出为12V时PD与η，PO的关系曲线 η/％(Uimin=195V) 图2-2宽范围输入时K与Uimin′的关系 图2-3固定输入时K与Uimin′的关系 根据已知条件，从图4中可以查出，TOP223是最佳选择，此时PO=30W，η=85.2％，PD=0.8W。 例3：计算TOPswitch－II的结温 这里讲的结温是指管芯温度Tj。假定已知从结到器件表面的热阻为RθA(它包括TOPSwitch－II管芯到外壳的热阻Rθ1和外壳到散热片的热阻Rθ2)、环境温度为TA。再从相关曲线图中查出PD值，即可用下式求出芯片的结温： Tj=PD·RθA＋TA(1) 举例说明，TOP225的设计功耗为1.7W，RθA=20℃/W，TA=40℃，代入式（1）中得到Tj=74℃。设计时必须保证，在最高环境温度TAM下，芯片结温Tj低于100℃，才能使开关电源长期正常工作。 第 三 章 根据输出功率比来修正等效输出功率等参数 3．1修正方法 如上所述，PD与η，PO的关系曲线均对交流输入