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第17卷第3期

海羊航空工程荦晓学报
JOURNAL OF NAVAL AERONAUTICAL E汁iGINEERING INSTITUTE

V01.17

NO 3

2002年5月

Mav 2002

TOPSwitch单片开关电源的快速设计法
李国栋‘,刘陵顺2
(1.解放军第404医院,威海,264200: 2.海军航空工程学院自动控制系,烟台,264001) 摘要:效率和芯片功耗是开关电源设计过程中的两个重要参数,文中给出ToPswitch系列 单片开关电源的快速设计曲线,通过查取曲线中的效率和功耗参数,快速地选择所需的 TOPswitch芯片。该方法是单片开关电源设计的重要手段。 关键词:TOPswitch:单片开关电源;快速设计 中图分类号:TM
56

文献标识码:A

THE THE

QUICK DESIGN M匣THOD

FOR

SINGLE—CmP SWITCH

POWER SUPPLY 0F

TOPSⅥTCH

LI Guo—don91,LlU Ling—shun2
(1.The 404t上l Hospita】ofPLAt

Weihai,264200;

2.DepartrIIent ofAutomalic Con打ol E“gine盯iI唱,NAEI,、r柚tai,264001) Abstract: Efnciency and power dissipation
are

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pa哺meters to the given.

nyback poWcr suppIy designeL In mis paper me ToPswitch Flyback quick The designer c柚quickly sclect ToPSwitch device什om me simple dissipation Key words:
curves

des蛳curvcs arc

of e珩cicncy afld power

This is肌imponant m时hod ofdesigni“g sjngle-chip switch pOwer supply. ToPswitch;si“gle_chjp switch power suppIy;quick desjgn

o引言
TOPswitch系列器件是美国Powe喀ration公 司生产的三端隔离式脉宽调制单片开关电源集成电 路。它将PwM集成电路和MosFET功率器件集 成在同一芯片中,具备PwM型开关稳压电源所需 的全部功能,通过高频变压器使输出端与电网完全 隔离,实现了无工频变压器隔离的开关屯源的单片 集成化。 本文给出了TOPswjtch系列单片开关电源的 快速设计曲线,通过查取曲线中的效率和功耗参 数,快速地选择所需的ToPswitch芯片。

蠢嚣篓簧嘉勰。T。耶州托“芯片,其它元
图2、3为TOPSwicch在通用输入电压下 (85 ̄265v)的快速选择曲线。 其中图2为输出电压12v时的系列芯片 TOP22l—TOP227芯片功耗、电源效率与输出功 率之问的关系曲线。 幽3为输出电压为5v时的关系曲线图。 这些曲线是假定运行于U^c。。I=85V, u.c=85 ̄265v,输入滤波电容c,两端的平均电压 为105v,cl的容量为3¨F,w,漏极嵌位电压为 200v,变压器感应电压为135v,输出整流肖特基 二极管正向压降为0.4v,开关频率为100K赫兹。 横坐标为输出功率,纵坐标为输出效率,实 线为电源效率,虚线为芯片功耗的等值线。

1快速选择曲线介绍
图1为应用ToPswitch设计的开关电源的典 型电路。主要的功率损耗在输出整流二极管D2、
收稿日期:2001一12—30 作者简介:李国栋(】968一】._男.大学

万方数据

总第63期

李国栋等:TOPStitch单片开关电源的快速设计法

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图1

TOPSwiteh典型开关电源电路图

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图2通用输入下,输出为12V时的快速选择曲线

图3通用输入下.输…为5V时的快速选择曲线

图4 ̄5分别为单屯压输入(230V+15%)的快 速选择曲线。假定UAC=230土15%,U^vMlN2195V, C1的容量为1/.tF/W,输入滤波电容Cl两端的平均

电压为105V。幽4为输出为12V时的曲线,图5 为输出为5V时的曲线。



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图4单电压输入下,输出为12V时的快速选择曲线

圈5单IU压输入下.输出为5V时的快速选择曲线

z快速设计法
从曲线中,首先根据输出功率的大小可以查到 电源中每一个芯片的传递效率,然后可以得到芯片 功耗的大小。

嚣笋蠢嚣姿蓁驾磊0电压值和输入电压值,确
定相应的曲线(例如,5V输出,单一电压输入选 择图5的曲线)。 (2)从横坐标中查山需要的输出功率点。

万方数据

376?

痒羊航空工租学虎学报

2002年第3期

(3)在该功率点垂直向上移动,直到遇到第~ 条实线为止。读山该交点在纵坐标中对应的效率。 (4)确定读出的效率是否满足要求,若不满 足,继续向上移动,查找下一条曲线。直到效率满 足要求为止。 (5)从等值线中读山所选芯片的功耗,为确定 散热设备作准稀。 (6)开始进行变压器的设计及其它元器件的选 择。 值得注意的是,根据输出功率值可以选用不止 一种的芯片,要根据需要确定。如垂直上移时所选 择的第一条满足要求的实曲线,表示输出功率平¨成 本均最小的芯片,最后一条为效率最高、成本最贵
的芯片。

率,利用要求的输出功率除以该功率比率得到的商 值去查图2-5中的曲线。同样该功率比率对于初 级电感有相应的比例关系。


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图6单lU压输入下功率比率曲线


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芯片的结温也是选择芯片的重要因素。可利用 芯片周围的温度TA和芯片到周围空气的总热阻 岛^计算。PD为查到的芯片的功耗。则结温为t1】:
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例1设计一个通用输入电压下输山功率为 30W,输山电压为5V的开关电源。 从图3中可以查到当输出功率为30W时, TOP225对应的效率为71%,芯片功耗为2.5W; TOP226对应的效率为75%,功耗为1.7w。若周 围温度为600C,热阻为20。CAV,要求结温TJ小 于100。C,则 对于TOP225,

空蠢量黼^电匝(VAC)

110

图7通用1U压输入下功率比率曲线

例如要设计在通用输入下输山功率35W,输 山电压12V的电源,最小输入电压103.5V。则根 据图7,查得功率比率为1.15,则有效输出功率为 3511.15=30.4W,利州该功率查图2的曲线,即可 估计山芯片损耗羽『效率。 输入也容cl f竹数值对于屯源的效率和输出功 率有较大的影响。当cl容量降低时,输出功率将 减小。例如在通用输入电压下当c1由3[aF/W降 到21sF/W时,输出功率将减少15%。当电容c1 降到2pF/W以F时,输山功率将减少更快。电容 的容量提高时,虽然性能指标提高了,但成本也随 之上升。

f=L+%×卧=60+2.5x20=1 10。C,不满足要
求: 对于TOP226, Z=R+JDD x岛A=60+1.7×20=94。C满足要求,因 此应选ToP226。

3可用功率
最小交流输入电压对于在给定输山功率的要求 下选抒TOPSwitch芯片的影响很大。如果输入电 压增加到超过图2 ̄5曲线的假定值(分别为 85VAC、195VAC),对于同一个芯片,可以得到 较多的输出功率。在不同输入电压下输出功率与图 2-5曲线的比值曲线关系如图6、7所示,由此曲 线可以得到不同输入电压下的可用功率。图6为单 一电压一F的功率比率关系,图7为通t}1;J输入电压F 的功率比率关系。 需要利用图6、7对输入电压进行调楚。具体 作法如下:根据要求的最小交流输入电压,垂直向 上移动,在曲线的交点处,从纵坐标上得到功率比

4结论
TOPSwitch系列单片开关电源的快速设计法为 开关电源的设计提供了基本方法。但是所得到的效 率雨『芯片功耗均为估计值,在实际设计中能否达到 指标要求,还将受到其它很多因素的制约,在设计 过程中需多加注意。 参考文献:


TOPSwitch

Flyback

Quit

Selection

Curvers

Application

Note?21.May 1998

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