单片开关电源设计法Word格式.docx

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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与电源效率、输出功率关系曲线，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/％

　　中图法分类号：

tn86文献标识码：

a文章编码：

021927130948805

　　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，固定输入两种情况。

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

　　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。

　　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：

　　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，uo=＋12v时，就只能选图4；

　　然后在横坐标上找出欲设计的输出功率点位置；

　　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；

　　再从等值线上读出芯片的功耗pd。

进而还可求出芯片的结温以确定散热片的大小；

　　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=％，最后从经过这点的那条等值线上查得pd=。

这表明，选择top224就能输出30w功率，并且预期的电源效率为％,芯片功耗为。

　　若觉得η=％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。

　　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

　　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=％，pd=。

　　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、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

　　举例说明，top225的设计功耗为，rθa=20℃/w，ta=40℃，代入式中得到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。

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：

　　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。

　　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′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：

　　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。

　　将po′折算成uimin为规定值时的等效功率po，有公式

　　po=po′/k

　　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=。

从图5中查出k=。

将po′=35w、k=一并代入式中，计算出po=。

再根据po值，从图2上查出最佳选择应是top224型芯片，此时η=％，pd=2w。

　　若选top223，则η降至％,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

　　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

　　查表1可知，使用top224时，lp=1475μh。

当k=时，lp′=×

1475=1696μh。

　　表2光耦合器参数随uimin′的变化

　　最低交流输入电压uimin85195

　　led的工作电流

　　光敏三极管的发射极电流

　　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。