单片开关电源设计法范文

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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。

关键词：单片开关电源快速设计

topswithⅱ

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在设计开关电源时，首先面临的问题是如何选择合适的单片开关电源芯片，既能满足要求，又不因选型不当而造成资源的浪费。然而，这并非易事。原因之一是单片开关电源现已形成四大系列、近70种型号，即使采用同一种封装的不同型号，其输出功率也各不相同；原因之二是选择芯片时，不仅要知道设计的输出功率po，还必须预先确定开关电源的效率η和芯片的功率损耗pd，而后两个特征参数只有在设计安装好开关电源时才能测出来，在设计之前它们是未知的。

下面重点介绍利用topswitch－ii系列单片开关电源的功率损耗（pd）与电源效率（η）、输出功率（po）关系曲线，快速选择芯片的方法，可圆满解决上述难题。在设计前，只要根据预期的输出功率和电源效率值，即可从曲线上查出最合适的单片开关电源型号及功率损耗值，这不仅简化了设计，还为选择散热器提

η/％(uimin=85v)

中图法分类号：tn86文献标识码：a文章编码：02192713(2000)0948805

po/w

图1宽范围输入且输出为5v时pd与η，po的关系曲线

图2宽范围输入且输出为12v时pd与η，po的关系曲线

图3固定输入且输出为5v时pd与η，po的关系曲线

供了依据。

1topswitch－ii的pd与η、po关系曲线

topswitch－ii系列的交流输入电压分宽范围输入（亦称通用输入），固定输入（也叫单一电压输入）两种情况。二者的交流输入电压分别为ui=85v～265v，230v±15％。

1．1宽范围输入时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（下同）。

1．2固定输入时pd与η、po的关系曲线

top221～top227系列在固定交流输入（230v±15％）条件下，当uo=＋5v或＋12v时，pd与η、po的关系曲线分别如图3、图4所示。这两个曲线族对于208v、220v、240v也同样适用。现假定uimin=195v,uimax=265v。

2正确选择topswitch－ii芯片的方法

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。

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4固定输入且输出为12v时pd与η，po的关系曲线

η/％(uimin=195v)

图5宽范围输入时k与uimin′的关系

图6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。

3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电压最小值作了限制。图1和图2规定的uimin=85v，而图3与图4规定uimin=195v（即230v－230v×15％）。若交流输入电压最小值不符合上述规定，就会直接影响芯片的正确选择。此时须将实际的交流输入电压最小值uimin′所对应的输入功率po′，折算成uimin为规定值时的等效功率po，才能使用上述4图。折算系数亦称输出功率比（po′/po）用k表示。topswitch－ii在宽范围输入、固定输入两种情况下，k与u′min的特性曲线分别如图5、图6中的实线所示。需要说明几点：

（1）图5和图6的额定交流输入电压最小值uimin依次为85v，195v，图中的横坐标仅标出ui在低端的电压范围。

（2）当uimin′>uimin时k>1，即po′>po，这表明原来选中的芯片此时已具有更大的可用功率，必要时可选输出功率略低的芯片。当uimin′（3）设初级电压为uor，其典型值为135v。但在uimin′<85v时，受topswitch－ii调节占空比能力的限制，uor会按线性规律降低uor′。此时折算系数k="uor′"/uor<1。图5和图6中的虚线表示uor′/uor与uimin′的特性曲线，利用它可以修正初级感应电压值。

现将对输出功率进行修正的工作程序归纳如下：

（1）首先从图5、图6中选择适用的特性曲线，然后根据已知的uimin′值查出折算系数k。

（2）将po′折算成uimin为规定值时的等效功率po，有公式

po=po′/k（2）

（3）最后从图1～图4中选取适用的关系曲线，并根据po值查出合适的芯片型号以及η、pd参数值。

下面通过一个典型的实例来说明修正方法。

例4：设计12v，35w的通用开关电源

已知uimin=85v，假定uimin′=90％×115v=103.5v。从图5中查出k=1.15。将po′=35w、k=1.15一并代入式（2）中，计算出po=30.4w。再根据po值，从图2上查出最佳选择应是top224型芯片，此时η=81.6％，pd=2w。

若选top223，则η降至73.5％,pd增加到5w，显然不合适。倘若选top225型，就会造成资源浪费，因为它比top224的价格要高一些，且适合输出40w～60w的更大功率。

3．2相关参数的修正及选择

（1）修正初级电感量

在使用topswitch－ii系列设计开关电源时，高频变压器以及相关元件参数的典型情况见表1，这些数值可做为初选值。当uimin′lp′=klp（3）

查表1可知，使用top224时，lp=1475μh。当k=1.15时，lp′=1.15×1475=1696μh。

表2光耦合器参数随uimin′的变化

最低交流输入电压uimin(v)85195

led的工作电流if（ma）3.55.0

光敏三极管的发射极电流ie（ma）3.55.0

（2）对其他参数的影响

当uimin的规定值发生变化时，topswitch－ii的占空比亦随之改变，进而影响光耦合器中的led工作电流if、光敏三极管发射极电流ie也产生变化。此时应根据表2对if、ie进行重新调整。

topswitch－ii独立于ui、po的电源参数值，见表3。这些参数一般不受uimin变化的影响。