導言： 直流穩壓電源是現代電力電子係統中的重要組成部分，好的直流電源係統是高質量現代電子係統的重要保證。開關電dian源yuan本ben身shen種zhong類lei繁fan多duo
，設she計ji方fang法fa也ye複fu雜za多duo樣yang

，因yin此ci研yan究jiu一yi種zhong簡jian潔jie的de方fang法fa去qu快kuai速su設she計ji出chu所suo需xu要yao的de通tong用yong型xing高gao效xiao率lv
，低di廉lian價jia格ge的de開kai關guan電dian源yuan是shi很hen有you必bi要yao的de。本ben文wen介jie紹shao了le開kai關guan電dian源yuan的de基ji本ben原yuan理li
，以yi及jiTopswitchⅡ型xing開kai關guan芯xin片pian的de結jie構gou，探tan討tao了le基ji於yu該gai芯xin片pian小xiao功gong率lv通tong用yong開kai關guan電dian源yuan的de設she計ji過guo程cheng中zhong開kai關guan管guan的de選xuan型xing，主zhu要yao元yuan件jian參can數shu的de計ji算suan等deng問wen題ti。最zui後hou通tong過guo仿fang真zhen試shi驗yan

，對dui電dian源yuan的de設she計ji過guo程cheng進jin行xing了le認ren證zheng。

引言

直zhi流liu穩wen壓ya電dian源yuan是shi現xian代dai電dian力li電dian子zi係xi統tong中zhong的de重zhong要yao組zu成cheng部bu分fen
，好hao的de直zhi流liu電dian源yuan係xi統tong是shi高gao質zhi量liang現xian代dai電dian子zi係xi統tong的de重zhong要yao保bao證zheng。開kai關guan電dian源yuan本ben身shen種zhong類lei繁fan多duo，設she計ji方fang法fa也ye複fu雜za多duo樣yang
，因yin此ci研yan究jiu一yi種zhong簡jian潔jie的de方fang法fa去qu快kuai速su設she計ji出chu所suo需xu要yao的de通tong用yong型xing高gao效xiao率lv，低di廉lian價jia格ge的de開kai關guan電dian源yuan是shi很hen有you必bi要yao的de。

1  開關電源工作原理

開關直流穩壓電源是基於方波電壓的平均值與其占空比成正比以及電感
、電容電路的積分特性而形成的。其基本工作原理是，先對輸入交流電壓整流，從而形成脈動直流電壓，經過DC-DC bianhuandianlubianya
，zaitongguozhanbodianluxingchenglebutongmaichongkuandudegaopinjiaoliudian
，ranhouduiqizhengliulvboshuchuxuyaodianyadianliuboxing。ruguoshuchudianyaboxingpianlisuoxuzhi，bianyoudianliuhuodianyacaiyangdianlujinxingquyangfankui，jingguoyubijiaodianludedianyazhijinxingcanshubijiao
，bachazhixinhaofangda
，congerkongzhikaiguandianludemaichongpinlvf 和占空比D,以此來控製輸出端的導通狀態。因此，輸出端便可以得到所需的電壓電流值。

如圖1, 將開關電源模塊劃分為以下幾個部分。

根據電力係統的實際需要
，通過對各個部分進行分析，便可以設計出相應的開關電源產品。

2  TopswitchⅡ簡介

TOPSwitch  ??是POWER 公gong司si生sheng產chan的de高gao集ji成cheng的de用yong於yu開kai關guan電dian源yuan的de專zhuan用yong芯xin片pian。它ta將jiang功gong率lv開kai關guan管guan與yu其qi控kong製zhi電dian路lu集ji成cheng於yu一yi個ge芯xin片pian內nei，並bing具ju有you自zi動dong複fu位wei，過guo熱re保bao護hu與yu過guo流liu保bao護hu等deng功gong能neng，其qi功gong能neng原yuan理li圖tu如ru圖tu2 所示。當係統上電時，D 引腳變為高電位
，內部電流源開始工作且片內開關在0 位，TOPSwitch 給並接在C 引腳的電容C5（見圖2） 充電。當C5 端電壓達到5.7 V 後
，自動重起電路關閉，片內開關跳到1 位。C5 一方麵提供TOPSwitch 內部控製電路的電源，使誤差放大器開始工作
，另一方麵提供一反饋電流以控製開關管的占空比。MOSFET 開關管的驅動信號由內部振蕩電路、保護電路和誤差放大電路共同產生。C5 兩端的電壓愈高，MOSFET 開關管驅動脈衝的占空比愈小。

3  TOPSwitch 芯片的選型

在(zai)設(she)計(ji)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)時(shi)
，首(shou)先(xian)就(jiu)要(yao)麵(mian)臨(lin)如(ru)何(he)選(xuan)擇(ze)合(he)適(shi)的(de)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)控(kong)製(zhi)芯(xin)片(pian)。在(zai)選(xuan)擇(ze)芯(xin)片(pian)的(de)時(shi)候(hou)
，要(yao)既(ji)能(neng)滿(man)足(zu)要(yao)求(qiu)，又(you)不(bu)因(yin)為(wei)選(xuan)型(xing)造(zao)成(cheng)資(zi)源(yuan)的(de)浪(lang)費(fei)。下(xia)麵(mian)就(jiu)介(jie)紹(shao)利(li)用(yong)TopswitchⅡ係列開關電源的功率損耗（ PD ） 與電源效率（η）

，輸出功率（ Po ） 關係曲線
，快速選擇芯片的型號，從而完成寬範圍輸入的通用開關電源的設計。
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3.1  PD,η
， Po 關係曲線

寬範圍輸入的交流電壓為85~ 265 V, 在這種條件下
，TOP221~ TOP227 係列單片開關電源的P D,η
，Po 關係曲線如下
，見圖3、圖4。

注意，這裏假定交流輸入電壓最小值umin= 85 V,最高輸入電壓umax = 265 V.途中的橫坐標代表輸出功率，而15 條虛線均為芯片功耗的等值線。

首先確定適用的曲線圖，例如
，當u= 85~ 265 V,Uo= + 5 V 時
，應該選擇圖3; 當u= 220 V（ 即230 V-230 V× 4.3% ）
，Uo= + 12 V 時
，就應該選擇圖4; 然後在橫坐標上找出欲設計的功率輸出點P o ; 從輸出功率點垂直向上移動，知道選中合適芯片所指的那條曲線。如果不適用，可以繼續向上查找另一條實線； 然後從等值線（ 虛線） 上讀出芯片的功耗PD,進而還可以求出芯片的結溫（ Tj ） 以確定散熱片的大小。

例如，設計輸出5 V, 30 W 的通用開關電源時，就要選擇圖3.因為通用開關電源輸入交流電壓範圍85~ 265 V.首先從橫坐標上找到Po = 30 W 的輸出功率點，然後垂直上移
，與T OP224 的實線相交於一點，由縱坐標上查出該點的η= 71.2%,最後從經過這點的那條等值線上，查得PD = 2.5 W.這表明，選擇TOP224 就能輸出30 W 功率，並且預期的電源效率為71.2%,芯片功耗為2.5 W.如果覺得指標效率偏低
，還可以繼續往上查TOP225 的實線。同理
，選擇TOP225 也能輸出30 W 的功率，而預期的電源效率可以提高到75%,芯片功耗可以降低1.7 W.然後根據所得到的PD 值，還可以進而完成散熱片設計。

3.2  等效輸出功率的修正

PD ,η
， Po 關係曲線均對交流輸入電壓的最小值進行了限製，umin = 85 V.如果交流輸入電壓最小值不符合上述的要求，就會直接影響芯片的正確選擇。此時必須從實際的交流輸入電壓u? min最小值對應的功率P''o 折算成umin為規定值時的等效功率Po,才能使用上麵的圖。功率修正的方法如下： 選擇使用的特性曲線，然後根據已知的u''min值查出折算係數K;將P ''o折算成umin為規定值時的等效功率Po,表達公式P o=P''o / K;然後從圖3

、圖4 中選用適當的關係曲線。
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例如設計12 V, 35 W 的通用開關電源
，已知umin= 90% × 115 V = 103.5 V.從圖5中查出K =1.15.將P ''o = 3.5 W, K = 1.15帶入P o= P ''o / K 中，計算出Po= 30.4 W; 再根據Po 的值，從圖4 中查出選擇的最佳型號是T OP224 芯片，此時η = 81.6%,PD= 2 W.如果選擇了T OP223, 則η 降到73.5%,PD 增加到5 W, 顯然不合適。如果選擇T OP225 型


，就會造成資源浪費，因為它比TOP224 的價格要高一些，而且適合輸出40~ 60 W 的更大的功率。

4  主要元件參數計算

4.1  變壓器變比的設計

開關變壓器的變比與開關變換電路的具體形式有關，正激、半橋變換電路中開關變壓器的變比公式為：

式中，Uin,Uout分別為開關變壓器的輸入和輸出電壓；Nin,Nout 分別為開關變壓器初級和次級線圈的匝數。

當輸入電壓最低時，實際設計時應該按最低輸入電壓代入計算。

推挽電路的輸出電壓與輸入電壓之間的關係公式為：

Uout= 2DUin/n

因此得到關係式：n= 2D Uin / Uout= N 1 / N 2.

輸入電壓最低時，占空比D 值最大，這時候仍然能保持設計要求的輸出電壓，所以上式的D 應取最大值，Uin取最小值。

4.2  輸入濾波電容的選擇

輸入濾波電容器C 的容量與電源效率，輸出功率密切相關


，對於寬範圍輸入的開關電源，C 的容量取μF 為單位時
，可按比例係數3μF/ W 來選取。例如當Po= 30 W 時，C= （ 3μF/W）×30 W= 90μF, 以此類推。在固定輸入時，比例係數變成1μF/W, 上例中的C 就變成30μF.在設計開關電源時還要注意C 的容量誤差要盡量小，以免影響開關電源的性能。當C 的容量過小時，會降低TopswitchⅡ的可用功率。如果把30μF 改成20μF, 則輸出功率會降低15 %; 當C< 20μF 時
，會造成可用功率的明顯下降。

另外，C 容量的大小還決定直流高壓Ui 的數值，圖3、圖4 實際上是在Ui= 105 V 的情況下繪製的
，這個充分體現了C 對Ui 的影響。

4.3  開關管保護電路

在開關芯片的漏極D 側可以利用VDZ 和VD 兩個二極管對高頻變壓器的漏感產生的尖峰電壓進行箝位，可保護μ的D-S 極間不被擊穿。例如VDZ 可以選用瞬態電壓抑製器P6K200, 其反向擊穿電壓為200 V.VD 采用反向耐壓為600 V 的UF4005 型超快恢複二極管，亦稱阻塞二極管。

5  應用電路及其仿真

圖6給出了由TOPSwitch 構成的反激式電源的原理圖。其工作過程如下： 輸入交流電經整流橋BR1 整流後再經電容C1 濾波，變為脈動的直流電。

反激式變壓器與TOPSwitch 將存儲於電容C1 的能量傳遞給負載。當TOPswitch 開關管導通時，電容C1兩端的電壓加到反激變壓器的原邊，流過原邊繞組的電流線性增加（ 如若在MOSFET 開關管導通的瞬間變壓器副邊電流不為零，則由於副邊感應電勢反向
，二極管D2 截止
，副邊電流變為零，然而磁芯內的能量不能突變，故原邊電流躍變為副邊電流的1/ K,K 為變壓器變比），變壓器儲存能量
； 當MOSFET 開關管關斷時，電感原邊電流由於沒有回路（ 此時，穩壓管VR1的擊穿電壓因高於原變壓器的感應電勢而截止） 而突變為零，變壓器通過副邊續流，副邊電流為TOPswitch 開關管關斷時原邊電流的K 倍，副邊繞組通過二極管D2 對電容C2 充電，此後，流過變壓器副邊的電流線性下降。二極管D1 與穩壓管VR1 並接於變壓器的原邊以吸收由於變壓器原邊的漏感而產生的高壓毛刺。電阻R1、穩壓管V R2


、光耦U2 與電容C5 構成了電壓反饋電路以保證輸出電壓穩定。電阻R2 與VR2 構成一假負載，以保證當電源空載或輕載時輸出電壓穩定。電感L1 與電容C3 構成LC 濾波器以防止輸出電壓脈動過大。二極管D3 與電容C4 構成一整流電路以提供光耦U2 光電三極管的偏置電壓。電感L2
、電容C6 和C7 用於降低係統的電磁幹擾（ EMI） .
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圖7分別給出了輸入電壓220 V （ 交流），輸出功率為40 W; 輸入電壓85 V （ 交流），輸出功率為24 W和輸入電壓85 V（ 交流），輸出功率為40 W 時的輸出電壓波形。

6  結論

理論設計和仿真結果表明，基於topswitch 芯片設計的開關電源，輸出波形較為穩定，而且電磁兼容性好，抗幹擾能力強，適合小功率開關電源的設計製造。