单片开关电源的工作原理及效率研究(Topswitch系列芯片)

本文通过分析单片开关电源的工作原理和影响其效率的主要因素，提出了提高单片开关电源效率的主要方法，指出了正确确定初、次级电路元件，正确设计高频变压器并使其具有高质量指标是其关键因素。本文的分析及结论可用于指导高效单片开关电源的设计。
近20多年来，集成开关电源一直在沿着两个方向不断发展。第一是对开关电源的核心单元——控制电路实现集成化。第二个方向则是对中、小功率开关电源实现单片集成化。单片开关电源集成电路具有高集成度、高性价比、最简单的外围电路、最佳的性能指标、能构成高效率无工频变压器的隔离式开关电源等优点。目前已成为国际上开发中、小功率开关电源、精密开关电源、特种开关电源及电源模块的优选集成电路。目前，单片开关电源已形成了几十个系列、数百种产品。然而开关效率始终是一个众人关注的问题。本文就此问题提出了一点自己的看法。 1 Topswitch芯片在开关电源中的应用70年代以来，电源产品掀起了一波高频化、小型化、模块化的浪潮。从而有力地促进了单片开关电源的发展。对于200W以下的开关电源，与其他电路相比，应用Topswitch系列器件的电路相对简捷，体积小，重量轻，自保护功能齐全，设计方便。另外，TOPSwitch器件不必另设散热器，也节省了成本。其内部的PWM控制器和MOSFET功率开关管是在管壳内连接的，连线极短，这就消除了高频辐射，改善了电源的电磁兼容性能，减小了器件对电路板布局和输入总线的瞬变要求。

 

TOPSwitch-Ⅱ是TOPSwitch的改进型号，与第一代产品相比，该器件在性能上有了很大改进。它将单电压输入时的最大功率从100W提高到150W，电磁兼容性也得到了增强，而且具有更高的性能价格比，并使电源的体积和重量大为减小。由于它是将700 V的功率MOSFET、晶振、高压开关电流源、限流和热关断电路集成于一体，并以其突破性的设计提供了一种高效率开关电源的设计方案，因而是具有偏置和自保护、电流线性占空比的变换器，该器件采用漏极开路输出。

 

第三代TOPSwitch-FX系列是一种五端单片开关电源集成电路，它采用了“跳过周期”等新技术。如果开关电源的负载非常轻，以至于开关电源在最小占空比(Dmin=1.5%)之下所提供的输出功率仍然超过负载功耗时，TOPSwitch—FX就采用跳过周期的工作方式来进一步降低输出功率，同时提高轻载时电压的稳定性。此方式可等效为先将占空比固定在1.5%(或更低值)上，然后用脉冲频率调制(PFM)方式调节轻载时的U0值。这样，根据负载的变化情况，开关电源能在正常工作和跳过周期方式之间自动转换，而无须其它控制。如不需要跳过周期，可在电源输出端接上最小负载RLmin，并使D大于Dmin为1.5%的占空比。采用跳过周期模式不仅能获得极低的输出功率，而且还能减小噪声电压。

 

TOPSwitch-GX为第四代产品。它采用与TOPSwitch相同的拓扑电路来将高压功率MOS-FET、脉宽调制(PWM)控制器、故障自动保护和其它控制电路集成到单片CMOS芯片中，并将工作频率提高到132 kHz，同时也拓展了TOP-Switch系列的功率范围，将单电压输入时的最大功率提高到250 W。此外，它还集成了多项新功能，因此有效地降低了系统成本，提高了设计的灵活性、以及功能和效能。

 

2 影响单片开关电源效率的主要因素

 

TOPSwitch系列芯片作为单片开关电源的一部分，对电源效率有着一定的影响。图1所示是以ST204A型单片开关电源模块的内部电路。实际上，图中电源的大部分功率损耗是由TOP204Y、钳位二极管(VDZ)、输出整流管(VD2)、共模扼流圈(L2)、整流桥(BR)、高频变压器(T)及输入电容(C1)、输出电容(C2)等产生的。它们也是影响电源效率的主要因素。

 

3 提高单片开关电源效率的方法

 

3.1 正确确定初级电路元器件

 

(1)输入整流桥(BR)的选择

 

选择具有较大容量的整流桥并使之工作在较小的电流下，可减小整流桥的压降和功率损耗，提高电源效率。由二极管构成的整流桥(BR)的标称电源电流IN应大于在输入电压为最小值(Umin)时的初级有效电流，功率因数应取0.6～0.8之间，其具体数值取决于输入电压u和输入阻抗。

 

(2)输入滤波电容(C1)

 

输入滤波电容C1用于滤除输入端引入的高频干扰，C1的选择主要是正确估算其电容量。通常输入电压U1增加时，每瓦输出功率所对应的电容量可减小。

 

(3)钳位二级管(VDZ)的选择

 

钳位电路主要用来限制高频变压器漏感所产生的尖峰电压并减小漏极产生的振铃电压。在图1所示的单片开关电源模块电路中，输入钳位保护电路由VDZ和VD1构成。为降低其损耗，VDZ可选用P6KE200型瞬变电压抑制二极管;VD1则选用BYV 26C型快恢复二极管。

 

(4)交流输入端电磁干扰滤波器(EMI)

 

C6能滤除输入端脉动电压所产生的串模干扰，L2则可抑制初级线圈中的共模干扰。

 

(5)限流保护电路

 

为限制通电瞬间的尖峰电流，可在输入端接入具有负温度系数的热敏电阻(NTC)。选择该电阻时应使之工作在热状态(即低阻态)，以减小电源电路中的热损耗

 

(6)输出整流管(VD2)

 

正确选择输出整流管VD2可以降低电路损耗，提高电源效率。其方法一是选用肖特基整流管，原因是其正向传输损耗低，且不存在快恢复整流管的反向恢复损耗;二是将开关电源设计成连续工作模式，以减小次级的有效值电流和峰值电流。输出整流管的标称电流应为输出直流电流额定值的3倍以上。

 

(7)输出滤波电容(C2)

 

电源工作时，输出滤波电容(C2)上的脉动电流通常很大。一般在固定负载情况下，通过C2的交流标称值IC2晓必须满足下列条件：

 

IC2=(1.5～2) IR1

 

式中，IR1是输出滤波电容C2上的脉动电流。

 

设输出端负载为纯电阻性R1，那么，R1C2愈大，则C2放电愈慢，输出波形愈平坦。也就是说，在R1一定的情况下，C2愈大，输出直流电压愈平滑。

 

设计时应确保高频变压器有合理的结构，同时应保证其具有较低的直流损耗和交流损耗且漏感小，线圈本身的分布电容及各线圈之间的耦合电容也要足够小。为达到上述目标，最主要的是要正确确定磁芯的形状、尺寸、磁芯材料以及线圈的绕制方法等。

 

(1)降低高频变压器的直流损耗

 

交流损耗是由高频电流的趋肤效应以及磁芯损耗引起的。趋肤效应会使导线的有效流通面积减小，并使导线的交流等效阻抗远高于铜电阻。由于高频电流对导线的穿透能力与开关频率的平方根成反比。为了减小交流铜损耗，其导线半径不得超过高频电流可达深度的两倍。事实上，在根据开关频率确定导线直径φ后，实际制作时应用比φ更细的导线多股并绕而不是用一根粗导线绕制。

 

(2)减小线圈的分布电容

 

在开关电源的每个通、断转换期间，线圈分布电容将反复充、放电，这样，其上的能量被吸收将使电源效率降低。此外，分布电容与线圈的分布电感也会构成LC振荡回路，并产生振荡噪声。对于初级线圈的分布影响，可以采取如下措施来减小线圈的分布电容：一是尽量减小每匝导线的长度;二是将初级线圈的始端接漏极;三是在初级线圈之间加绝缘层。

 

(3)减小漏感

 

因为漏感愈大，产生的尖峰电压幅度愈高;而初级尖峰电压幅度愈高，初级钳位电路的损耗就愈大，从而将导致电源效率降低。所以，在设计高频变压器时，必须把漏感减至最小。对于低损耗的高频变压器，其漏感量应是开路时初级电感量的减小漏感的措施有减小初级线圈的匝数、增大线圈的宽度、增加线圈尺寸的高度与宽度之比、减小线圈之间的绝缘层以及增加线圈之间的耦合程度等。