【導讀】術的發(fā)展的的缺點，提出了發(fā)展新型電源的意見。為了能夠適用電力電子越小型。化、輕型化的要求，開關電源隨之出現(xiàn)。開關電源采用功率半導體作為開關元件，力強，所以開關電源的應用逐漸取代了傳統(tǒng)的電源。電子器件朝著輕薄化的發(fā)展，開關電源有多種拓撲結構，選擇合適的拓撲結構，合適的器件，是設計開關電源的重中之重。Keywords：switchpowersupply；TopologyStructure；stabilivolt；Chip

　　

【正文】 低于鐵氧體，一次氣隙能夠極大地增加磁路的有效長度。帶有氣隙磁芯的有效磁路長度為： le =lm =u*lgap （ 3） 在很多實際應用的例子中，后面一項遠遠大于前面一項 u*lgap lm （ 4） 所以這樣的近似是合理的 le ≈ u*lgap （ 5） 注意：制置是一個近似關系，并不能保證任何時候都成立，每一次設計的時候都要檢查一下這個近似關系是否成立。 近似值來計算，我們可以得到以下式子： B=mmaxl ? 與m8e2 l ?? （ 6） 這些方程的使用前提 我們必須清楚：對于帶有氣隙的鐵氧體材料磁芯，在確認（ 4）方程成立的條件下，可以試方程（ 6）；否則，應使用基本方程（ 1）和（ 2），如果磁芯的氣隙非常小，應該使用有效磁路長度（ 3)。 我們需要在不同的磁芯中進行選擇，以確定自己所選的型號是最合適的，變壓器的高度要求是我們的設計準則。但是考慮到成本，只能現(xiàn)有的材料中選擇相近似的磁芯，現(xiàn)有的磁芯中最接近的是 E42 如圖 33。 圖 33 磁芯 文檔精品 歡迎下載 由于我做的這個變壓器的開關頻率為 132kHZ，查一下軟磁鐵氧體材料選擇表， E42 的性能優(yōu)良，能夠適用所設計的電路。 變壓器的匝數(shù)的計算 磁芯的形狀和材料選擇好以后，下面我們要選擇合適的氣隙。通常先取最大磁感應強度，然后確定氣隙大小，磁通也就確定了。對于氣隙，可能會有一個問題，有時要求磁芯只有一邊氣隙，而另一邊沒有氣隙。著需要特意模具，需要花費很多，另一個可能出現(xiàn)的問題是：氣隙非常小，任何一點很小的氣隙誤差都會對磁感應強度產(chǎn)生很大的影響，并進一步影響損耗，甚至會導致磁芯的飽和。 即使是使用帶有氣隙的磁芯，仍然會有很多問題： 由于本身的氣隙很小，當兩塊磁芯連接在一起的時候，總的氣隙誤差會比較大；粘合的膠水也會增加氣隙的長度。 回到我們的設計來，我們可以查到 E42 的 AL 的值為 376nH，大的 AL 意味著匝數(shù)可以最少，那樣線圈電阻也可以最小。 200uH需要的匝數(shù)為： N=376nH200uH=23 匝 說明氣隙可以通過 Ae=178mm2 = 來計算，所以有 376nH= ? ?g82l 10* .4?匝? 這樣，可以得到氣隙長度 lg =，算好磁感應強度，就可以計算出磁感應強度： B= 23*4A* 匝? =1958G 因為我所選用的磁芯的最大磁通密度是 2286G，計算出的磁感應強度小于最大的磁通密度，所以選用的磁芯是合適的。 現(xiàn)在來計算次級線圈的匝數(shù)（是 48V 匝數(shù)）。 由公式： N1N2 = ? ? ? ?D*minV1 D1*VV0 D ）（ ?? N2 的二次側的線圈的匝數(shù)， N1 為一次側的線圈匝數(shù) ,V0 為輸出電壓， VD 為二文檔精品 歡迎下載 極管順向電壓， V1（ min）是輸入的最小的電壓， D 為占空比。 23N2 = *308 *2)(48 ）（ ?? 所以 N2=19 匝 磁芯等的各種 損 耗 在反激式變壓器里，電流是單向的，所以磁感應強度也是單向的：從 0 增加到 Bmax ，然后又降低到 0。所以磁感應強度的峰峰值是 Bmax 的一半。 132kHZ 時，對于 E42 這種材料，磁感應強度為 2286/2=1143G 時的損耗近似為320mW/cm3 。 現(xiàn)在我們降低開關頻率可否降低磁芯損耗，損耗與頻率、磁感應強度之間是一種非線性關系，典型的關系式為： loss/lb= Bf 因為，我們需要有 2 倍的電感值來保持同樣的功率，這就意味著需要 2 倍的繞組來實現(xiàn)兩倍的電感，這就使得磁感應 強度變?yōu)樵瓉淼?2 ，因為磁感應強度 B與匝數(shù)同比增加。 總的損耗，即每一磅的損耗乘以重量，為 ? ? ? ?LBf 222 2??????≈ 由于磁芯的重量和存儲能量的大小有直接的關系，而存儲能量與電感呈電感量呈線性關系。因此開關頻率降低一半，磁芯損耗幾乎變?yōu)樵瓉淼?2 倍。另一方面，降低開關頻率的確能夠降低開關晶體管的損耗： PQ ≈ K+Af 式中， K 由通態(tài)損耗決定， A 由開關速度決定。如果開關損耗遠大于通態(tài)損耗的話，可以有： PQ ??????2f ≈ ??f 一般情況下，通常的情況是這樣的：即使在整個范圍內(nèi)進行優(yōu)化，改變開關頻率文檔精品 歡迎下載 對效率的影響不是很大。而真好的好處在磁芯尺寸的大小卻非常明顯，隨著開關頻率增加，體積明顯可以減小。 下面我們來計算一下磁芯損耗，磁芯的總體積 ，因此磁芯的損耗為320mW/cm3 * =1184mW。磁芯的損耗是可以的。 如果磁芯損耗大得無法接受，可以有兩個方法：第一個辦法是進一步增加氣隙，如兩半塊磁芯的匹配連接，定制自己需要的，帶有氣隙的磁芯；第二個辦法是選用大尺寸的磁芯，隨著氣隙的增大，其邊界范圍也隨著增大，漏感也要增大，漏感增加會影響到電路中的其他元件，并且使變壓器的效率降低。同時大型號的磁芯體積也相應的比較大，需要占用更大的印制板面積，成本更高。在 工程設計中，通常要權衡這些因素，折合選擇。 下圖為我做好的變壓器： 圖 34 變壓器的正面 本章小結 通過第二章的對各種拓撲電路的分析，結和所有的因素，我們選擇了合適的拓撲結構，通過選擇的拓撲結構來計算變壓器的各種參數(shù)。 文檔精品 歡迎下載 第四章 開關電源中的芯片介紹 TOP250 TOP250 的管腳圖及其作用 圖 41 TOP250的管腳圖 漏極 (D) 引腳：高壓功率 MOSFET的漏極輸出。通過內(nèi)部的開關高壓電流源提供啟動偏置電流。漏極電流的內(nèi) 部流限檢測點。 控制 (C) 引腳：誤差放大器及反饋電流的輸入腳，用于占空比控制。與內(nèi)部并聯(lián)調(diào)整器相連接，提供正常工作時的內(nèi)部偏置電流。也用作電源旁路和自動重啟動／補償電容的連接點。 線電壓檢測 (L) 引腳： (僅限 Y、 R或 F封裝 )過壓 (OV)、欠壓 (UV)、降低DCMAX的線電壓前饋、遠程開／關和同步的輸入引腳。連接至源極引腳則禁用此引腳的所有功能。 外部流限 (X) 引腳： (僅限 Y、 R或 F封裝 )外部流限調(diào)節(jié)、遠程開／關控制文檔精品 歡迎下載 和同步的輸入引腳。連接至源極引腳則禁用此引腳的所有功能。 多功能 (M) 引腳： (僅限 P或 G封裝 )此引腳集 Y封裝的線電壓檢測 (L)及外部流限 (X)引腳功能于一體。是過壓 (OV)、欠壓 (UV)、降低 DCMAX的線電壓前饋、遠程開／關和同步的輸入引腳。連接至源極引腳則禁用此引腳的所有功能并使 TOP250以簡單的三端模式工作。 頻率 (F) 引腳： (僅限 Y、 R或 F封裝 )選擇開關頻率的輸入引腳：如果連接到源極引腳則開關頻率為 132 kHz，連接到控制引腳則開關頻率為 66 kHz。 P和 G封裝只能以 132 kHz開關頻率工作。 源極 (S) 引腳：這個 引腳是功率 MOSFET的源極連接點，用于高壓功率的回路。它也是初級控制電路的公共點及參考點。 TOP250 的特色 輸出功率更大以適應更高功率的應用，使用 P/G封裝時輸出功率在 34 W以下都無需散熱器，而且節(jié)約外圍元件成本，采用完全集成的緩啟動電路降低了器件的應力及輸出電壓過沖，外部電路實現(xiàn)精確的流限編程，而且更寬的占空比實現(xiàn)更高的輸出功率，同時可以使用更小尺寸的輸入濾波電容，在 Y/R/F封裝具有獨立的輸入線電壓檢測及流限編程引腳，輸入欠壓 (UV)檢測可以防止關機時輸出的不良波動，輸 入過壓 (OV)關斷電路提高了對輸入浪涌的耐受力， 具有最大占空比 (DCMAX)降低特點的線電壓前饋抑制了，工頻紋波并在高輸入電壓時限制了最大占空比，頻率調(diào)制降低 EMI及 EMI濾波器成本，在零負載時實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)壓而無需假負載， 132 kHz頻率調(diào)制降低變壓器及電源的尺寸， Y/R/F封裝在視頻應用時可以選擇半頻工作 遲滯熱關斷提供自動故障恢復功能，熱遲滯值較大，防止電路板過熱。 遙控關機模式下極低的功率消耗（在 110 VAC時消耗 80 mW；在 230 VAC時消耗 160 mW），頻率隨負載減輕而降低 ，提高待機效率，通過網(wǎng)絡／輸入端口實現(xiàn)關機／喚醒功能。 TOP250采用反激式的拓撲結構，以高性價比將高壓 MOSFET、 PWM控制器、故文檔精品 歡迎下載 障自動保護功能及其它控制電路集成到一個硅片上。 TOP250還集成了多項新功能，可以降低系統(tǒng)成本，提高了設計靈活性及效率。除標準的漏極、源極和控制極外，不同封裝的 TOP250還另有 1至 3個引腳，這些引腳根據(jù)不同封裝形式，可以實現(xiàn)如下功能：線電壓檢測（過壓／欠壓，電壓前饋／降低 DCMAX)、外部精確設定流限、遠程開／關控制、與外部較低頻率的信號同步及頻率選擇 (132 kHz/66 kHz)。所有封裝形式的器件均具備如下相同特性：軟啟動、 132 kHz 開關頻率（輕載時自動降低 )、可降低 EMI的頻率調(diào)制、更寬的 DCMAX、遲滯熱關斷及更大的爬電距離封裝。另外，所有重要參數(shù)（例如流限、頻率、 PWM增益等）的溫度容差及絕對容差更小、設計更簡化，系統(tǒng)成本更低。 TOP250 的典型外接電路 圖 42 TOP250典型的外接電路 由圖 42 可見， TOP250 構成的開關電源采用的是反激式拓撲結構。 TOP250是一款集成式開關電源芯片，能將控制引腳輸入電 流轉化為高壓功率 MOSFET 開關輸出的占空比。在正常工作情況下，功率 MOSFET 的占空比隨控制引腳電流的增加而線性減少， 如下圖 43所示： 文檔精品 歡迎下載 自 動 再 啟 動I c d 1I bI l = 1 9 0 u AI l = 1 2 5 u AI l I l （ d c ）3 01 3 2I c ( m A )自 動 再 啟 動I c d 1I bI l = 1 9 0 u AS l o p e = P W M G a i nI l = 1 2 5 u AI l I l ( c d )1 03 87 8頻 率 （ k H Z ）占 空 比（ % ） 2 . 4 2 . 7 7 . 36 . 5I c ( m A ) 圖 43 占空比和頻率與控制引腳電流的關系 TOP250具有高壓啟動、逐周期電流限制、環(huán)路補償電路、自動重啟動、熱關斷等特性，還綜合了多項能降低系統(tǒng)成本、提高電源性能和設計靈活性的附加功能。此外， TOP250采用了專利高壓 CMOS技術，能以高性價比將高壓功率 MOSFET和所有低壓控制電路集成到一片集成電路中。 TOP250增加了頻率、線電壓檢測和 外部電流限制（僅限 Y、 R或 F封裝）引腳或一個多功能引腳（ P或 G封裝），以實現(xiàn)一些新的功能。將如上引腳與源極引腳連接時， TOP250的三端模式工作，在此種模式下， TOP250仍能實現(xiàn)如下多項功能而無需其他外圍元件： 1. 完全集成的 10 ms軟啟動，限制啟動時的峰值電流和電壓，顯著降低或消除大多數(shù)應用中的輸出過沖。 2. DCMAX可達 78%，允許使用更小的輸入存儲電容，所需輸入電壓更低或具備更大輸出功率能力。 3. 輕載時頻率降低，降低開關損耗，保持多路輸出電源中良好的交叉穩(wěn)壓精度。 4. 采用較高的 132 kHz開關頻率，可減少變壓器尺寸，并對 EMI沒有顯著影響。 5. 頻率調(diào)制功能可降低 EMI。 6. 遲滯過熱關斷功能確保器件在發(fā)生熱故障時自動恢復。滯后時間較長可防止電路板過熱。 7. 采用缺省引腳及引線的封裝，可提供更大的文檔精品 歡迎下載 漏極爬電距離。 8. 絕對容差更小，降低溫度變化對開關頻率、電流限制及 PWM增益的影響。 線電壓檢測 (L)引腳通常用于線電壓檢測，通過一個電阻與經(jīng)整流的高壓直流總線連接，能設定過壓 (OV)／欠壓 (UV)和降低 DCMAX的線電壓前饋。在此模式之下，電阻值確定 OV/UV的閾值，且 DCMAX從電路電 壓超過欠壓閾值時開始線性減少。如下圖 44所見： 圖 44 X和 L引腳和 M引腳的特性曲線