TOP250y在大功率开关电源中的应用

王文廷

摘    要：介绍了TOP250Y在大功率开关电源中的应用，论述了TOP250Y 开关电源的基本工作原理，重点分析了关键电路参数的设计方法，并给出了设计实例和试验结果。 
        关键词： TOPSwitch；大功率；开关电源 
引 言 
        TOPSwitch电源技术是近年来迅速发展的一种开关电源技术，因其在体积、效率和可靠性等方面的优势，目前在通信、计算机和家用电器等众多领域中得到了非常广泛的应用。但由于前几代TOPSwitch遍存在输出功率受限的不足之处，使其在要求有较大输出功率的电源应用中受到很大的限制。针对这种情况， Power Integrations公司推出了TOPSwitch的第四代单芯片高压IC系列： TOPSwitch-GX系列。 
        TOPSwitch-GX单芯片高压IC 系列将高压功率MOSFET、PWM控制、故障保护和其他控制电路等高性价比地集成在单片CMOS芯片上。其内建特性包括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、欠压保护和过压保护、可编程限流等优异特性。 
        与TOPSwitch-GX系列其它产品一样，因为其采用了单芯片控制的设计理念，而且TOP250Y只有很少的三四个外围元器件，这就使得相同设计的电源尺寸更小、待机效率更高、系统成本更低，并保持了用途广泛和设计简单的特色，使电源设计能为290W以下的应用创造出高性价比的方案。 
        本文具体分析了TOP250Y开关电源的工作原理，并详细介绍了TOP250Y型芯片在大功率开关电源应用中关键电路参数的设计方法，并给出了设计实例。该实例中电源最大输出功率达到了288 W，对单芯片TOPSwitch在大功率开关电源领域内的应用研究具有指导意义。 
TOP250Y开关电源的基本原理 

TOP250Y型芯片有六个管脚：D、S、C、F、X、L，简单的TO220-7C 封装外形简图如图1所示。 

        图1 TOP250Y封装外形图
图1各管脚功能如下： 
        漏极管脚(D)：高压功率MOSFET漏极输出。控制管脚(C)：用于调节占空比的误差放大器与电流输入脚。 
        源极管脚(S)：将其连接至输出MOSFET源极时可得到高压功率回馈。 
        电压检测管脚(L)：具有欠压保护、过压保护、减少Dmax的线性前馈及远程开关等功能。外部限流管脚(X)：用于外部电流限制值设置的输入脚。 
        频率管脚(F)：用于选择开关频率的输入脚。由TOP250Y构成288W(24V/12A)大功率高效开关电源的电路如图2所示。 

        图2 由TOP250Y构成的开关电源电路
其交流输入电压范围是交流176～264V ，满载时电源效率可达86%。交流电压U_I 依次经过电磁干扰(EMI) 滤波器(C₁，L₁)、输入整流滤波器(V₁，C₂) 获得直流高压。直流高压经过R₁ 后接N₁ 的L端，为TOP250Y提供电压前馈信号，实现过压保护、欠压保护以及使电源随输入电压改变D_max功能。这里将N₁的X 脚接地，使TOP250Y 工作在最大占空比，因此，即使在宽范围输入时，电源也能达到最大连续输出功率P_oM=290W。将N1的F脚接地，使TOP250Y工作在较高的132kHz频率上，采用这种设计方法允许高频变压器选用尺寸较小的磁芯，并防止出现磁饱和现象。 
        次级电压经过V₅，C₈～C₁₁，L₂和C₁₂整流滤波后，获得+ 24V/12A的稳压输出。C₈～C₁₁滤除纹波电压，L₂和C₁₂则用来消除开关噪声。该电源采用一个简单的串联稳压管方式的光耦反馈电路。E1为4N25型线性光耦合器。V₇和V₈分别采用1N963 和1N962 型稳压管。其稳压原理如下：当由于某种原因致使输出电压Uo↑，所产生的误差电压使E1中LED的IF↑，光耦接收管的IE↑，使得N1 控制端电流Ic↑，而占空比D ↓，导致Uo↓，从而实现了稳压目的。反之， Uo↓→I F↓→I E↓→Ic↓→D↑→Uo↑，同样起到稳压作用。 
        当开关电源空载时，TOP250Y能采用跳过周期的方式极大地降低最大输出占空比，使得Dmax<2%。因此，在输出端无须接假负载，这样还可降低空载或待机状态下的功耗。 
        V₆和C₁₄为次级提供软启动，C₁₄为软启动电容，能消除刚接通电源时产生的电压过冲现象，使反馈绕组提供给N1的C脚电压先于输出电压，这样就保证了即使在低输入电压和满载情况下，也能使输出电压在启动时正常调整。电阻R₅和电容C₁₃构成控制环路补偿电路。 
        反馈绕组电压经过V4和C5整流滤波后，产生12 V的反馈电压，经过E1 给TOP250Y 的控制端提供偏压。C4 是旁路电容，它还与R3 和C3 构成控制环路的补偿电路。 
        齐纳箝位管V₂、超快速二极管V₃、电阻R₂和电容C₆组成尖峰吸收电路。用于吸收在TOP250Y关断时由高频变压器漏感产生的尖峰电压， 对TOP250Y中MOSFET管的漏极起到保护作用。 
        由于V₂上并联R₂和C₆，在正常工作时，R₂几乎承担了所有的泄放能量，而在启动或超载的情况下，V₂又限制了尖峰电压不超过N1中MOSFET管的安全电压(700V)。 
关键电路设计与实例
        举例电路参数： 交流UI=176～264V， f=132kHz， D =0.5， Uo=24V， Io=12A， Po=288W，纹波≤1%。 
输入滤波电容的设计 
        考虑市电掉一个脉冲的时间是10 ms ，取电源输出的保持时间td=10ms ，电容C₂ 上的直流电压从250V(176V×1.414)下降到220 V后，输出才开始下降。故 

        取标准值C₂ = 470μF 
变压器磁芯的选择
        实际功率容量乘积计算： 

PQ3535的功率容量乘积为1.72 ，为0.66的3倍，如果按50%的余量计算，在132kHz开关频率工作时，PQ3535的输出功率可达375W ，因此设计值为288W是充分留有余量的。 
变压器的各电参数设计
        a.计算初级绕组的电感量 

        b.计算变压器初级绕组匝数 

        取初级匝数约为36 匝。 
        c. 计算变压器次级绕组匝数 

        取次级匝数约为5 匝，并在绕制工艺上采用铜箔绕制，这样既满足了大电流输出，又解决了趋肤效应问题。 
        d. 计算变压器初级绕组上的最大峰值电流 

TOP250Y的标称电流为6A，所以设计是完全合理的。 
        e. 计算变压器磁芯的气隙长度 

     取L_g=0.12cm，在加工工艺上采用磨制气隙工艺，以保证加工的可靠性和可行性。 
功率二极管的设计

U_DR≥(5～6)Uo，在120～144V之间取值。 
        本例中V4 实际选用超快速二极管MUR3020(15A/200V)，完全符合设计要求。 
输出滤波电容的设计
        输出滤波电容等效ESR 可用下列经验公式计算设计 

依据上述计算参数及耐压要求，查手册实际选用四只35V/1000μF电容并联，其等效ESR 约为0.017Ω，满足设计要求。 
尖峰吸收电路和环路控制频率补偿电路的设计
尖峰吸收电路和环路控制频率补偿电路的设计也可由相应公式得到，但由于电路元器件参数差别和加工工艺的影响，上述两种电路参数的设计还需要大量实验数据验证，因此仅给出本电源设计的参数，这里就不再赘述了。 
试验结果 
        通过用LeCroy公司生产的电源专用示波器测试，得到本电源设计的主要试验结果如下： 
        Po = 290.402W；空载功耗≤1.48W； 线性调整率≤±0.97%；负载调整率≤±1.74%； 纹波≤0.95%；效率≥86.1%。 
结 语

        根据上述理论， 成功设计了一种新一代TOPSwitch控制的大功率开关电源。不仅证明了设计方法的正确，而且整个电路设计简洁，电源可靠性也得到很大提高。随着对TOPSwitch的进一步研究，由新一代TOPSwitch控制的大功率开关电源必将得到更加广泛的应用。