单片开关电源的快速设计法
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′ 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′ 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)
85
195
LED的工作电流IF(mA)
3.5
5.0
光敏三极管的发射极电流IE(mA)
3.5
5.0
(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。
表3独立于Ui、PO的电源参数值
独立参数 | 典型值 |
---|---|
开关频率f(kHz) | 100 |
输入保护电路的箝位电压UB(V) | 200 |
输出级肖特基整流二极管的正向压降UF(V) | 0.4 |
初始偏置电压UFB(V) | 16 |
(3)输入滤波电容的选择
参数 | TOP221 | TOP222 | TOP223 | TOP224 | TOP225 | TOP226 | TOP227 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
高频变压器初级电感LP(μH) | 8650 | 4400 | 2200 | 1475 | 1100 | 880 | 740 |
高频变压器初级泄漏电感LPO(μH) | 175 | 90 | 45 | 30 | 22 | 18 | 15 |
次级开路时高频变压器的谐振频率fO(kHz) | 400 | 450 | 500 | 550 | 600 | 650 | 700 |
初级线圈电阻RP(mΩ) | 5000 | 1800 | 650 | 350 | 250 | 175 | 140 |
次级线圈电阻RS(mΩ) | 20 | 12 | 7 | 5 | 4 | 3.5 | 3 |
输出滤波电感的直流电阻RL1(mΩ) | 40 | 32 | 25 | 20 | 16 | 13 | 10 |
共模扼流圈的直流电阻RL2(mΩ) | 400 | 370 | 333 | 300 | 267 | 233 | 200 |