【正文】 國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 13 頁 2 單片開關(guān)電源的工作原理和分類 單 片開關(guān)電源集成電路具有高集成度、高性價比、最簡外圍電路、最佳性能指標、能構(gòu)成高效率無工頻變壓器的隔離式開關(guān)電源 等優(yōu)點。它于 20 世紀 90 年代中、后期相繼問世后，便顯示出強大的生命力，目前它已成為國際上開發(fā)中、小功率開關(guān)電源、精密開關(guān)電源及電源模塊的優(yōu)選集成電路。由它構(gòu)成的開關(guān)電源，在成本上與同等功率的線性穩(wěn)壓電源相當，而電源效率顯著提高，體積和重量則大為減小。這就為新型開關(guān)電源的推廣與普及創(chuàng)造了良好條件。 單片開關(guān)電源不僅在整機電路設(shè)計、高頻變壓器設(shè)計、反饋電路、保護電路和關(guān)鍵元器件的選擇方面有許多獨到之處，而且特別適合用計算機來完成整個開關(guān)電源的設(shè)計工作，這已成為國際電源領(lǐng)域的一項新技術(shù)。 單片開關(guān)電源的基本 原理 TOPSwitch 系列單片開關(guān)電源的典型應(yīng)用電路如圖 所示由于單端反激式開關(guān)電源電路簡單、所用元件少，輸出與輸入間有電氣隔離，能方便的實現(xiàn)多路輸出，開關(guān)管驅(qū)動簡單，因此該電源采用單端反激式電路。由圖可見，高頻變壓器初級繞組 NP 的極性與次級繞組 NS、反饋繞組 NF 的極性相反。在 TOPSwitch 導(dǎo)通時，次級整流管 VD2 截止，此時電能以磁能量形式存儲在初級繞組中；當 TOPSwitch 截止時， VD2 導(dǎo)通，能量傳輸給次級。高頻變壓器在電路中兼有能量存儲、隔離輸出和電壓變換這三大功能 。圖中， BR 為整流橋， CIN 為輸入端濾波電容， COUT是輸出端濾波電容。交流電壓 VAC 經(jīng)過整流濾波后得到直流高壓 VI，經(jīng)初級繞組加至 TOPSwitch 的漏極上。在功率 MOSFET 關(guān)斷瞬間，高頻變壓器漏感會產(chǎn)生尖峰電壓，另外在初級繞組上還會產(chǎn)生感應(yīng)電壓（即反向電動勢） VOR，兩者疊加在直流輸入電壓 VI 上，加至內(nèi)部功率開關(guān)管 MOSFET 的漏極上，因此必須在漏極增加鉗位保護電路。鉗位電路由瞬態(tài)電壓抑制器或穩(wěn)壓管 VDZ1，阻塞二極管 VD1 組成， VD1宜采用超快恢復(fù)二極管。當 MOSFET 導(dǎo)通時，變壓器的初級極性上端為正，下端為負，從而導(dǎo)致 VD1 截止，因而鉗位電路不起作用。在 MOSFET 截止瞬間，初級極性則變?yōu)樯县撓抡?，此時尖峰電壓就被 VDZ1 吸收掉。 中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 14 頁 圖 單片開關(guān)電源的典型應(yīng)用電路 該電源的穩(wěn)壓原理簡述如下：反饋繞組電壓經(jīng)過 VD CF整流濾波后獲得反饋電壓 VFB，經(jīng)光耦和器中的光敏三極管給 TOPSwitch 的控制端提供偏壓。 CT是控制端 C 的旁路電容。設(shè)穩(wěn)壓管 VDZ2 的穩(wěn)定電壓為 VZ2，限流電阻 R1 兩端的壓降為 VR，光耦和器中 LED 發(fā)光二極管的正 向壓降為 VF，輸出電壓 VO可表示為： VO＝VZ2＋ VF＋ VR。當由于某種原因（如交流電壓升高或負載變輕）致使 VO升高時，因 VZ2 不變，故 VF 就隨之升高，使 LED 的工作電流 IF 增大，再通過光耦合器使 TOPSwitch 的控制端電流 IC增大。但因 TOPSwitch 的輸出占空比 D 與 IC 成反比，故 D 減 小 ， 這 就 迫 使 VO 降 低 ， 達 到 穩(wěn) 壓 目 的 。 反 之 ，VO↓→VF↓→IF↓→IC↓→D↑→VO↑,同樣起到穩(wěn)壓作用。由此可見，反饋電路正是通過調(diào)節(jié) TOPSwitch 的占空比，使輸出電壓趨于 穩(wěn)定的。 單片開關(guān)電源的兩種工作模式 單片開關(guān)電源有兩種基本工作模式：一種是連續(xù)模式 CUM（ Continuous Mode），另一種是不連續(xù)模式 DUM（ Discontinuous Mode）。這兩種工作方式的小信號傳遞函數(shù)是極不相同的，動態(tài)分析時要做不同處理。當變換器輸入電壓在一個較大范圍內(nèi)發(fā)生變化或負載在較大范圍內(nèi)變化時，必然跨越兩種工作方式。因此反激式變換器長要求能在完全和不完全能量轉(zhuǎn)換方式下穩(wěn)定工作。這兩種模式的開關(guān)電源波形分別如圖（ a）和圖 (b)所示。由圖可見，在連續(xù)模式下，初 級開關(guān)電流是從一定幅度開始的，然后上升到峰值，再迅速回零。其開關(guān)電流波形呈梯形。這表明在連續(xù)模式下，由于儲存在高頻變壓器的能量在每個開關(guān)周期內(nèi)并未全部釋放掉，因此下一個開關(guān)周期具有一個初始能量。采用連續(xù)模式可減小初級峰值電流 IP 和有效值電流 Irms,，降低 中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 15 頁 芯片的功耗。但連續(xù)模式要求增大初級電感量 LP，這會導(dǎo)致高頻變壓器的體積增大。綜上所述，連續(xù)模式適用于功率較小的單片開關(guān)電源和配備尺寸較大的高頻變壓器。 不連續(xù)模式的開關(guān)電流是從零開始上升到峰值，然后再降至零的。這就意味著儲存在高頻變壓器中的能量必須在每個開 關(guān)周期內(nèi)完全釋放掉，其開關(guān)電流波形呈三角形。不連續(xù)模式下的 IP、 Irms值較大，但所需要的 LP 較小。因此，它適合于采用輸出功率較大的單片開關(guān)電源和配尺寸較小的高頻變壓器。 （ a） 連續(xù)模式 （ b）不連續(xù)模式 圖 兩種模式的開關(guān)電流波形 單片開關(guān)電源反饋電路的四 種基本類型 單片開關(guān)電源的電路可以千變?nèi)f化，但其反饋電路只有四種基本類型 [8]： （ a）基本反饋電路； （ b）改進型基本反饋電路； （ c）配備穩(wěn)壓管的光耦反饋電路； （ d）配備 TL431 的光耦反饋電路。 它們的簡化電路如圖 所示。圖 （ a）為基本反饋電路，其優(yōu)點是電路簡單，成本低廉，適于制作小型化、經(jīng)濟性開關(guān)電源；其缺點是穩(wěn)壓性能較差，電壓調(diào)整率SV=177。%～ 177。%，負載調(diào)整率 SI ≈177。5%。當 f=130KHz 時， Δf=177。4KHz；當 f=65KHz時， Δf=177。2KHz 。 圖 （ b）為改進型基本反饋電路，只需增加一只穩(wěn)壓管 VDZ 和電阻 R1，即可使負載調(diào)整率達到 177。2%。 VDZ 的穩(wěn)定電壓一般為 22V，必須相應(yīng)增加反饋繞組的匝數(shù)，以獲得較高的反饋電壓 UFB ，滿足電路的需要。 圖 （ d）是配備穩(wěn)壓管的光耦反饋電路。由 VDZ 提供參考電壓 UZ，當輸出電壓 UO 發(fā)生波動時，在光耦內(nèi)部的 LED 上可獲得誤差電壓。因此，該電路相當于給單片電源增加一個外部誤差放大器，再與內(nèi)部誤差放大器配合使用，即可對 UO進行調(diào)整。這種反饋電路能使電壓調(diào)整率達到 177。1%以下。 圖 （ c）是配備 TL431 的光耦反饋電路，其電路較復(fù)雜，但穩(wěn)壓性能最佳。用 TL431 型可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器來代替普通的穩(wěn)壓管，構(gòu)成外部誤差放大器，進而對 UO 做精細調(diào)整，可使電壓調(diào)整率和負載調(diào)整率均達到 177。%，能與線性穩(wěn)壓電源相媲美。這種反饋電路適于構(gòu)成精密開關(guān)電源電路。 中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 16 頁 圖 反饋電路的四種基本類型 單片開關(guān)電源的產(chǎn)品分類 [9] 目前生產(chǎn)的單片開關(guān)電源主要有 TOPSwitch、 TOPSwitchⅡ 、 TinySwitch、TNY25 MC33370、 TOPSwitchFX、 TOPSwitchGX 幾大系列。此外還有 L4960系列、 L4970／ L4970A 系列單片開關(guān)式穩(wěn)壓器，共 80 余種型號。其中， TOPSwitch、TOPSwitchⅡ 、 TinySwitch、 TNY256 和 TOPSwitchFX、 TOPSwitchGX 系列，均為美國 PI 公司產(chǎn)品； MC33370 系列是 Motorola 公司產(chǎn)品； L4960、 L4970／ L4970A 系列為意 法半導(dǎo)體有限公司（ SGSThomson）產(chǎn)品。根據(jù)引出端的數(shù)量，單片開關(guān)電源可劃分成三端、四端、五端、多端共 4 種。 三端單片開關(guān) 電源 TOPSwitch 器件是美國功率集成公司（ POWER Integrations Inc）于 20 世紀 90年代中期推出的新型高頻開關(guān)電源芯片。它是三端脫線式 PWM 開關(guān)的英文縮寫（ Three Terminer Off Line PWM Switch） .其特點是將高頻開關(guān)電源中的 PWM 控制器 中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 17 頁 和 MOSFET 功率開關(guān)管集成在同一芯片上，是一種二合一器件。這大大簡化了電源電路，提高了可靠性，使得電源的設(shè)計更加簡單快捷。 TOPSwitch 器件有多種封裝形式，如采用 DIP8 和 SMD8 封裝的，則中間 4 只為空 腳，可以將它們接到印刷電路板的銅箔上，將芯片產(chǎn)生的熱量直接傳到印刷電路板上，不必另設(shè)散熱器，節(jié)省了成本；如采用 TO220 封裝的，則只有 3 只管腳，使用起來就和一只大功率三極管一樣便利。此外，由于 PWM 控制器和 MOSFET 功率開關(guān)管是在管殼內(nèi)連接的，連線極短，這就消除了高頻輻射現(xiàn)象，改善了電源的電磁兼容性能，減小了器件對電路板布局和輸入總線瞬變的要求。 TOPSwitchⅡ 是 TOPSwitch 的改進型號。它將單電壓輸入時的最大功率 100W 提高到 150W，電磁兼容性也得到增強，且具有更高的性能價格比。 TOPSwitchⅡ 器件包括 TOP225TOP227 等幾個型號，主要差別是輸出功率不同。 根據(jù)封裝形式， TOPSwitchⅡ 可劃分成三種類型，即 TOP221YTOP227Y（ TO220 封裝）， TOP221PTOP224P（ DIP8 封裝）， TOP221GTOP224G（ SMD8封裝），產(chǎn)品分類詳見表 和表 。其中以 TOP227Y 的輸出功率為最大。 1． TOPSwitchⅡ 的性能特點 TOPSwitchⅡ 內(nèi)部包括振蕩器、誤差放大器、脈寬調(diào)制器、門電路、高壓功率開關(guān)管（ MOSFET） 、偏置電路、過流保護電路、過熱保護及上電復(fù)位電路、關(guān)斷 /自動重啟動電路。它通過高頻變壓器使輸出端與電網(wǎng)完全隔離，使用安全可靠。它屬于漏極開路輸出的電流控制型開關(guān)電源。由于采用 CMOS 電路，使器件功耗顯著降低。 TOPSwitchⅡ 只有三個引出端：控制端 C、源極 S 和漏極 D，可同三端線性穩(wěn)壓器相媲美，能以最簡方式構(gòu)成無工頻變壓器的反激式開關(guān)電源。為完成多種控制、偏置及保護功能， C、 D 均屬多功能引出端，實現(xiàn)了一腳多用。以控制端為例，它具有三項功能： ① 該端電壓 UC為片內(nèi)并聯(lián)調(diào)整器和門驅(qū)動極提供偏壓； ② 該端電流 IC能調(diào)節(jié)占空比； ③ 該端還作為電源支路與自動重啟動 /補償電容的連接點，通過外接旁路電容來決定自動重啟動的頻率，并對控制回路進行補償。 輸入交流電壓的范圍極寬，作為固定電壓輸入時可選 220V177。15%交流電，若配用85265V 寬范圍變化的交流電，則最大輸出功率要降低 40%。開關(guān)電源的輸入頻率范圍為 47440Hz 。 開關(guān)頻率典型值為 100KHz，占空比調(diào)節(jié)范圍為 %67%。電源效率為 80%左右，最高可達 90%，比線性集成穩(wěn)壓電源提高近一倍。其工作溫度范圍為 070℃ ，芯片最高結(jié)溫 T=135℃ 。 TOPSwitchⅡ 的基本工作原理是利用反饋電流 IC 來調(diào)節(jié)占空比 D，達到穩(wěn)壓的目的。例如，當由于某種原因致使開關(guān)電源的輸出電壓 UO升高時 →經(jīng)過光耦反饋電路使 IC↑→誤差電壓 Urt↑→D↓→UO↓,使 UO保持不變；反之亦然。 中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 18 頁 表 TOPSwitchⅡ 的產(chǎn)品分類及最大輸出功率 PCM TO220 封裝（ Y） 產(chǎn)品型號 固定輸入（ 110/115/230V AC177。15%） 寬范圍輸入 （ 85265V AC） TOP221Y 12W 7W TOP222Y 25W 15W TOP223Y 50W 30W TOP224Y 75W 45W TOP225Y 100W 60W TOP226Y 125W 75W TOP227Y 150W 90W 表 TOPSwitchⅡ 的產(chǎn)品分類及最大輸出功率 PCM DIP8 封裝（ P） /SMD8 封裝（ G） 產(chǎn)品型號 固定輸入（ 110/115/230V AC177。15%） 寬范圍輸入 （