发布时间 : 星期六 文章TOPY的单片开关电源的设计更新完毕开始阅读c2655274aff8941ea76e58fafab069dc502247a1
第一章 序言
1.1 开关电源的发展
开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出功率端移动，这为开关电源提供了广阔的发展空间。
开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。
传统开关电源设计一般均采用分立的MOSFET功率开关和多引脚的PWM集成控制器，电路的结构非常复杂，系统的稳定性不够理想，分立的MOSFET功率开关对开关电源的效率亦有限制。为了解决传统开关电源设计面临的这些难题，90年代以来，出现了将开关电源中最重要的两个部分——PWM集成电路和MOSFET功率开关，集成在同一块芯片上，构成PWM/MOSFET二合一集成芯片的趋势，二合一集成控制芯片的问世，降低了开关电源设计的复杂性，减少了开关电源设计所需的时间，从而大大加快了产品进入市场的速度。
单片开关电源具有单片集成化、最简外围电路、最佳性能指标、能构成无工频变压器开关电源等显著优点。TOPSwitch器件是美国功率集成公司(POWER Integrations)于20世纪90年代中期推出的新型高频开关电源芯片。它是三端脱线式PWM开关(Three-terminal Offline PWM Swtich)的英文缩写， 其第一代产品以1994年推出的TOP100/200系列为代表， 第二代产品则是1997年问世的TOPSwitch-Ⅱ。上述产品一经问世便显示出强大的生命力，它极大地简化150W以下开关电源的设计，使电路大为简化，体积进一步缩小，成本也明显降低。 1.2 单片开关电源芯片及应用［1］
TOPSwitch系列器件是三端脱线式PWM开关（Three terminal Off line PWM Swtich）的英文缩写。TOPSwitch系列器件主要包括下列型号：TOP100～TOP104，TOP200～TOP204/TOP214，TOP209/TOP210等。
TOPSwitch - Ⅱ是TOP-Sw itch 的改进型号，它将单电压输入时的最大功率100W提高到150W，电磁兼容性也得到增强，具有更高的性能价格比，现已成为国际上开发中、小功率开关电源模块的优选集成电路。TOPSwitch- Ⅱ所包括的几个型号之间的区别在于输出功率的不同，其产品分类见表1.1。
0 / 21
表1.1 TOPSwitch-Ⅱ的产品分类及最大输出功率
产品型号 固定输入（110/115/230V,AC,±15％） 宽范围输入（85V～265V,AC） 7 15 30 45 60 75 90 6 10 15 20 TOP221Y TOP222Y TOP223Y TOP224Y TOP225Y TOP226Y TOP227Y TOP221P/221G TOP222P/222G TOP223P/223G TOP224P/224G 12 25 50 75 100 125 150 9 15 25 30 TOPSwitch系列器件仅用了三个管脚就将脱线式开关电源所必需的具有通态可控栅极驱动电路的高压N沟道功率的MOS场效应管，电压型PWM控制器，100kHz高频振荡器，高压起动偏置电路，带隙基准，用于环路补偿的并联偏置调整器以及误差放大器和故障保护等功能全部组合在一起了。采用TOPSwitch器件的开关电源与采用分立的MOSFET功率开关及PWM集成控制器的开关电源相比，具有以下特点：
1. 成本低廉； 2. 系统效率高； 3. 电源设计简化； 4. 应用灵活性高；
5. 功能完善的系统级故障保护。
值得注意的是，TOP222Y还特别为小功率备用电源应用作了优化，弥补了TOPSwitch系列在这一类应用中的不足。应用TOP222Y可以设计出性价比更高的开关电源，可为绿色或节能产品，如个人电脑、监视器、UPS、复印机、传真机提供备用电源，还可在诸如电视、家用电器、工业控制器和个人电脑等产品中应用。
1 / 21
第二章 单片开关电源工作原理
2.1开关电源的工作原理
“开关电源”是利用现代电力电子技术，控制功率半导体器件开通和关断的时间比率,使一个电路运行于“开关状态”并维持稳定输出电压的一种电源；与线性稳压电源相比，开关电源具有体积小、效率高、重量轻等一系列优点，在各种电子设备中得到广泛的应用。20世纪90年代，开关电源相继进入各种电子、电器设备领域,程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，这更加促进了开关电源技术的迅速发展。但是，开关电源也存在着电路复杂、射频干扰、电磁干扰大的缺点，随着电子技术的发展，上述缺点正在被逐步克服。
开关电源的主电路包括输入整流滤波、功率转换和输出整流滤波三个环节。除主电路外还有控制电路，作用是保证主电路正常工作。
开关电源分类方法有很多种：根据输入输出类型可分为DC/DC变换器和AC/DC变换器；根据驱动方式可分为自励式和他励式；根据控制方式可分为脉冲宽度调制式、脉冲频率调制式和混合式；根据电路组成可分为谐振型和非谐振型。
此外还可分为单端正激式、反激式、推挽式、半桥式、全桥式、降压式、升压式、升降压式等。
1．开关电源的工作原理
图2.1所示，50Hz单相交流220V电压或三相交流220V/380V电压经EMI防电磁干扰电源滤波器，直接整流滤波，然后再将滤波后的直流电压经变换电路变换为数十或数百kHz的高频方波或准方波电压，通过高频变压器隔离并降压(或升压)后，再经高频整流、滤波电路，最后输出直流电压。通过取样、比较、放大及控制、驱动电路，控制变换器中功率开关管的占空比，便能得到稳定的输出电压。
图2.1开关电源原理框图
2．脉冲宽度调制型(PWM)开关电源
图2.2 PWM方式开关电源框图
(1)原理结构
采用PWM技术的开关电源原理结构如图2.2所示，从电网将能量传递给负载的回路称为主回路，其余为控制回路。
(2)工作原理
工频电网交流电压经过输入整流滤波电路，得到高纹波未调直流电压，再经功率转换电路，变换成符合要求的矩形波脉动电压，最后经输出整流滤波电路将其平滑成连续的低纹波直流电压。控制回路在提供高压开关T管基极驱动脉冲的同时，需要
2 / 21