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单片开关电源设计法

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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

thewayofquickdesignforsinglechipswitchingpowersupplyabctract:threeendssinglechipswitchingpowersupplyisnewtypeswitchingpowersupplycorewhichhasbeenpopularsince1990.thispaperintroducesquickdesignforsinglechipswitchingpowersupply.

keywords:singlechipswitchingpowersupply,quickdesign,topswithⅱ

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。

单片开关电源设计法责任编辑:小胥老师    阅读:人次