基于TOPSwitchGX的小功率多路输出开关电源设计

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'基于TOPSwitchGX的小功率多路输出开关电源设计'
基于TOPSwitch—GX的小功率多路输出开关电源设计杨捷姚晓东樊凌涛(华东理工大学信息科学与工程学院,上海200237 )摘要:介紹了PT公司的TOPSwitch-GX系列开关电源的性能特点,详细论述了利用该系列芯片设计了一种小功率 多路输出的单端反激式开关屯源的步骤。试验结果表明,该电源电路结构简单,并且运行可靠,电源输出质量高。 关键词:开关电源;TOPSwitch—GX: TOP245Y;多路输出0引言电源是各种电子设备必不可少的重要组成部分,其性能的优劣直接关系到整个系统的安全性与可 靠性指标。开关电源以其低工耗、高效率等显著优点而受人们的青睐,随着单片开关电源集成电路的 应用,开关电源正朝着短、小、轻、薄的方向发展。单片开关电源具有高集成度、高性价比、最简外 围电路、最佳性能指标等特点,现已成为开发中、小功率开关电源、精密开关电源及开关电源模块的 优选集成电路。⑴TOPSwitch—GX系列单片开关电源是PI公司继TOPSwitch—FXZ后新推出的笫四代单片开关电源 集成电路。由于将高压功率MOSFET. PWM控制、故障;ぜ捌渌刂频缏,高性价比地集成在单片CMOS 芯片,再加上其用于在启动时消除过冲和降低元件应力的软启动、减小EMI的频率抖动、欠压;ず 过压关断、可编程限流和独有的EcoSmart节能技术,大大简化了电路的设计,缩短了设计周期。1 TOP Switch—GX系列开关电源的性能特点TOPSwitch — GX 系列包括 T0P242P~T0P244P 、 T0P242G~T0P244G 、 T0P242R~T0P250R 、 TOPT242Y~TOP250Y 和 T0P242F~T0P250F,共 33 种型号。它们的主要特点如 F[2]:1) 该系列产品具有TOPSwitch—FX系列的全部优点,其述将最大输岀功率从75W 扩展到290W,适合构成人、中功率的高效率、隔离式开关电源。2) 新增加了线路检测端(L)和从外部设定极限电流端(X)这两个引脚,用来代替 TOPSwitch—FX的多功能端M的全部控制功能,使用更加灵活、方便。3) 开关频率提高到132KHz,减小高频变压器及整个开关电源的体积。4) 当开关电源的负载很轻时,能自动将开关频率从132KHz降低到30KHz (半频模式下则由66KHz 降到15KHz),降低功耗进一步提高电源效率。5) 釆用EcoSmart节能技术,显著降低了功耗,在输入HOVAc时功耗为80mW, 230VAc 时为160mWo2 TOPSwitch-GX芯片构成的44W多路开关电源模块设计实例2.1设计要求输入电压 DC250V~350V,输!11 为 6 路:3 路(独立),DC+15V±7%, 0. 5A; 1 路,DC+15V±7%, 0. 5A; 1 路,DC+5V±7%, 1. 6A; 1 路,DC+12V±10%, 0. 5A,电源效率 75%以上。2.2芯片的选择模块的总输出功率为44W,根据所需功率容量,并考虑到其用于汽车环境,由于空I'可限 制、散热方式限制,以及其它发热源影响、要求口身产生的热量要小、散热途径要快捷,不能存在热 积累,选择芯片T0P245Y 3-,该芯片的最人输出功率为60W, Y封装有助于散热,便于安装。2. 3电路设计由于T0P245Y的高度集成性,设计工作主要围绕其外部电路进行,根据其工作原理外围电路町分为漏极保持电路、变压器、输出整流滤波电路及反馈电路四部分,下面対其功能及原理进 行简要分析。图1 TOP Switch—GX245Y芯片构成的44W多路开关电源模块2.3.1漏极;さ缏返敝鞴β蔒OSFET管由导通变成截止时,在高频变压器的初级上会产牛尖峰电压和感应电压,其中尖峰电压是山于高频变压器存在漏感而形成,它与冑流电压和感应电压叠加后很容易损 坏主功率管。因此,必须设计漏级;さ缏,对尖峰电压进行钳位或吸收。⑷⑸由D1和D2构成的漏极;さ缏,能吸收在MOSFET关断时由变压器一次绕组漏感产生的尖峰电压,;OSFET不受损坏。D1采用钳位电压为200V的P6KE170型瞬态电压抑制器,D2 采用UF4005超快恢复二极管,其反向耐压为800Vo L端接入一 2M电阻可以进行输入电压检测。2. 3.2变压器设计高频变压器是开关电源中进行能量存储与传输的重要部件,单片开关电源小高频变压器 性能的优劣,不仅对电源效率影响较大,而口还直接关系到电源的其他技术指标及电磁兼容性。因此, 一个話效的鬲频变压器应具备直流损耗和交流损耗低、漏感小、绕组的分布电容和各绕组间的耦合电 容小等特点。关于有关参数的计算及绕制方法,相关资料很多介绍也很详细,这里就不作为重点介绍, 只给出与实际绕制有关的参数。铁芯的选择:铁芯材料的选择直接影响到开关电源的总体性能。轻载时工作频率为30KHz,重载 是频率为132KHz,变压器选用镒锌铁氧体为材料,根据变压器输出功率等级可选W ET28型骨架。初级电感量及初、次级绕组匝数:要计算初级电感量首先要计算出输入电流的平均值'吒和 初级峰值电流坊,计算公式如下:=0.252(A)p(1 — 0.5心叽= 1.45(/)其中:匕为输岀的总功率,〃为电源效率取为70%, 为一次绕组脉动电流人与一次绕组峰值电流的比值,取为0.8, Q吨%为最大占空比为30%, /为开关频率,Z为损耗分配系数収为0.5。选择次级绕组为0.6V/匝,输出电压为则次级绕组匝数可通过式M =(—+ — )x0.6计算Np = Ns x(―^—) N( = Ns x 5+S得出,初级绕组匝数则为 ' %+Uf ,反馈绕组匝数为 ? 5+Uf,其中Uy为二次侧肖特基整流管上的正向压降,"刃为初级感应电压,""为反馈电压。得出初级绕组为98匝, 主输出5V的次级绕组为4匝,其余的15V输出的次级绕组为11匝,12V输出的次级绕组为9匝,反 馈绕组为10匝。确定气隙:旨先做出两点假设:(1)由于铁芯开气隙后剩磁Br减小很多,认为Br=0; (2)由于气 隙磁阻远大于磁路其他部分磁阻,认为磁势全部降于气隙处。由此可以得到:Bm=(IpNp^/6 G)式中:"。为空气磁导率,人为气隙处铁芯截面积,〃为气隙氏度,色"为最大磁感应强度。气隙长度的选取不宜过长,过长的气隙会导致主磁路磁阻增大,磁力线通过漏磁路闭合,增加漏 感和电磁干扰EMk次级绕组的电流有效值为:srms初级绕组电流有效值为:(5)式中:人“为二次绕组峰值电流,】sp=【p?NplNs。2. 3.3输出整流滤波电路设计开关电源输出端的纹波幅值主要由以下四个方而决定:1) 输入电源噪声,主要是直流输入电源屮本身包含的交流噪声。2) 高频噪声,开关电源是依靠功率开关管对直流输入电压进行高频斩波,然后经过变压器传输、 整流滤波再实现稳压输出的,在其输岀端必然含有与斩波频率相同的高频噪声,其大
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