何东升 刘永强 王端阳 王佩
华南理工大学电力学院 广州 510640
摘要：介绍了一种采用TOP245Y智能控制集成芯片设计的开关电源的方法，给出了基于
TOP245Y的单端反激式开关电源的设计电路，和对外围电路的设计进行了分析说明。此电源具有低成本，高效率，小尺寸，全密封式的特点。 关键词: 单片开关电源；电流型PWM； TOP245Y；
可控硅散热器Design Of Switching Power Supply Based On TOP245Y
He dong-sheng Liu yong-qiang Wang duan-yang Wang pei College of Electrical Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640 Abstract：A switching power supply is presented, in which an intelligent integrated chip called TOP245Y is used. Based on the chip, a method to design a single-ended flyback switching power supply is provided. The design of the external circuit is introduced and analyzed. This power supply is of low cost, high efficiency, small size and totally pressurized.
Keywords: Single-chip switching power supplies；Current mode PWM； TOP245Y； 0．引言
一个高可靠、高效率，低“热损失”的供电电源，是电气设备控制系统稳定、安全工作的前提。对于一般电气设备，温度每超过室温＋10℃，元器件的寿命将下降一半[1]，在一些密封的容器中，表现得更为突出。而设计者多习惯采用线性稳压电源作为控制系统的工作电压。这种线性稳压电源的线性调整工作方式在工作中会造成较大的“热损失”，其工作效率仅为30％～50％[1]，加之如果工作在高粉尘、多潮湿等恶劣环境下，往往将工业控制系统置于密封的容器中，以保证控制系统局部的清洁。这样，使用线性电源不仅转化效率低，而且“热损失”产生的热量在密封容器内的聚集，也加剧了控制系统的恶劣工况，从而使控制系统的稳定性能大打折扣。而开关电源则以完全导通或关断的方式工作，即工作时或者是大电流流过低导通电压的开关管，或者是完全截止无电流流过。因此，开关型稳压电源的功耗极低，其平均工作效率可达70％～90％[3]。在相同电压降的条件下，开关电源与线性稳压电源相比具有少得多的“热损失”。因此，开关稳压电源可大大减小散热片体积和PCB板的面积，甚至在大多数情况下不需要加装散热片，从而大大减少了对控制系统工作环境的不利影响。所以，开关电源被誉为高效节能电源，它代表着稳压电源的发展方向。 本装置采用新型单片TOPSwitch-GX245Y芯片，不仅与线性稳压电源相比有许多优点，而且与传统的开关电源芯片如UC3842,SG3525芯片相比也显其优越性，传统开关电源设计一般采用分立的MOSFET功率开关管和多引脚的PWM(脉冲宽度调制)集成控制器，外围电路结构复杂繁琐，系统的稳
定性不够理想，最终调试非常麻烦，且分立的MOSFET功率开关对开关电源的效率亦有限制；而新型单片TOPSwitch-GX芯片将PWM集成电路和MOSFET功率开关，集成在同一块芯片上，从而大大提高了系统的稳定性，简化了电路的复杂性，缩短了设计周期。1．新型单片TOPSwitch-GX245Y芯片简介
1.1 TOP245Y的内部结构
TOP245Y的引脚排列如图1所示，内部原理框图如图2所示，该电路主要由控制电压源、带隙基准电压源、并联调整器/误差放大器、脉宽调制器(PWM)、振荡器、门驱动级和输出级、过流保护电路、过热保护电路、软启动电路、关断/自启动电路及高压电流源等部分组成。参考文献[3]中全面的讲解了其内部工作原理，本文不再赘述。 1.2 TOP245Y的管脚说明
漏极(D)：MOSFET 管漏极输出。高压开关电流源通过此脚为内部提供启动偏置电流。
开关频率选择端(F)：用于选择开关频率的输人引脚，连接至源极(S)时为132kHz，连接至控制端(C)时为
66kHz。 源极(S) ：将其连接至输出MOSFET 源极时可得到高压功率回馈。
极限电流设定端(X) ：从外部设定芯片的极限电流。
线路检测端(L) ：此端具有过压保护、欠压保护和远程通/断控制功能。
控制端(C) ：用于调节占空比的误差放大器与电流输入脚。
2. 电源电路设计
2.1设计技术指标
输入电压：AC 85V～265V（50Hz） 工作温度范围：0～50ºC
输出电压：U out1＝＋5V（1.8A） U out2＝－5V（0.2A）
转换效率：≥85% 输出电压纹波：≤ 1%
防尘机箱
2.2 电路原理图
图2 TOP S245Y 功能内部功能框图
2.3 电路设计及工作原理
2.3.1 输入整流滤波电路设计
整流滤波电路包括输入交流滤波、整流、电容稳压三部分。输入交流85～265V，交流滤波采用简单实用的∏型滤波电路，电容C1～C4和共模扼流圈L1滤除输入电网线之间的差模干扰和共模干扰，具体参数推荐如下： C1和C2为0.1～2μＦ； C3和C4为2.2～33ｎＦ；Ｌ1为5～20ｍＨ。压敏电阻RV为275V，其作用是吸收从电网串入的浪涌电压。交流电压经全桥整流后，再通过高频滤波电容C5变成较平滑的直流电压，C5通常取比例系数C IN/P OM=2µf/w，即每瓦输出功率对应于2µf电容量。但就电源效率和C IN的使用寿命而言，适当提高每瓦的电容量值，定能达到更好的性能指标，只是C IN的容量增大，成本也相应增加。
2.3.2 变压器设计
单端反激式高频开关变压器是开关电源的关键器件，在电路中兼有能量储能、隔离输出和电压变化作用。对于其参数选择可以先利用PI公司提供的PIEXPERT软件来进行初步设计，然后再在此基础上进行修正设计。单端反激式变换器通常采用加气隙来解决变压器磁心的磁复位问题，因而可增大电源的
输出功率，减少变压器磁心损耗，进一步提高开关频率。此外，这种工作方式能较好地消除来自电网的干扰，降低输出纹波。参考文献[4]中全面的讲解了高频变压器设计的各个要点，本文不再赘述。
2.3.3 箝位及吸收电路设计
每个开关周期内，TOPSwitch芯片的关断将导致变压器漏感产生尖峰电压。将电阻R3、R4，电容C6和VS1并联后，构成保护功能完善的VS1、VD1、RC型钳位及吸收电路，以便吸收掉漏感上较大的磁场能量，保护MOSFET不受损坏。这种设计的优点在于，正常工作时VS1的损耗非常小，泄漏磁场能量主要由R3和R4分担，VS1的关键作用是限制在启动(或过载)情况下的尖峰电压，确保MOSFET的漏极电压低于700V。VS1采用钳位电压为200V的P6KE200型瞬态电压抑制器,VD1选用BYV28C型超快恢复二极管，其反向耐压为600V。
2.3.4 次级输出整流滤波电路设计
次级输出整流滤波电路由整流和滤波二部分构成。输出整流二极管的开关损耗占系统损耗的近五分之一，是影响开关电源效率的主要因素，它包括正向导通损耗和反向恢复损耗。由于肖特基二极管导通时正向压降较低（0.4～0.5V）[1]，具有较低的正向导通损耗。此外，肖特基二极管反向恢复时间短（几钠秒）[1]，在降低反向恢复损耗，以及消除输出电压中的纹波方面有独特的性能优势，因此，首选肖特基二极管作为整流二极管。本装置中选用IN5822肖特基二极管。对输出滤波部分，仍采用∏型
滤波电路。电阻R11和R12为输出假性负载。
2.3.5 反馈电路设计
线性光耦合器PC817和可调式（２.５～３６Ｖ）三端精密稳压器TL431组成精密光耦反馈电路。主输出U out1作为主反馈信号，输出电压V out1，经电阻分压器R5和R6获得取样电压，与TL431中的２.５Ｖ带隙基准电压进行比较后产生误差电压，使光藕中发光二极管LED 的工作电流I F产生相应变化，再通过光耦隔离放大去改变控制端电流I C的大小，从而调节控制芯片TOP245Y的输出占空比，使V out1不变，从而达到稳压目的。例如，当由于某种原因使开关电源的输出电压V out1上升时，经过光耦反馈电路将使I C上升，误差电压V R就上升，占空比D就下降，V out1就下降，从而使V out1保持不变，反之亦然。其中，R10为PC817提供偏置电流；C16为软启动电容；C14和R7一起构成尖峰电压滤波器，使偏置电压在负载较重时保持恒定；C15和R8为控制回来的补偿元件；R9为限流电阻，用来设定整个反馈回路的直流增益，推荐值R9＝100Ω。其中：电阻分压器R5=10KΩ ×（V out1－2.5）/2.5，当输出电压为5V时，R5=10KΩ。
2.3.6 外围控制电路设计
TOPSwitch 芯片外部具有可编程设定极限电流和输入电压欠压、过压检测功能。该电路将X 端与S 端短接，可将TOP245Y 的极限电流设置为内部最大值，即I LIMIT =I LIMIT(MAX)=5.7A；如在X 端与S
端连接电阻R2，当R2＝9K 时，I LIMIT ＝80％，当R2＝12K 时，I LIMIT ＝69％[4]
；而将F 端与S 端短接，可将TOP245Y 设为全频工作方式，开关频率为132kHz，如F 端与C 端短接，则为半频工作方式，开关频率为66kHz。在线路检测端L 与直流输入U i 端连接电阻R1，可进行线路检测，由于TOP245Y 的欠压电流I UV 为50µA，过压电流I OV 为225µA，有公式：U UV =I UV ×R1 和U OV =I OV ×R1，当R1=2M 时，由公式得：U UV =100V，U OV ＝450V，因此其欠压保护工作电压为100V，过压保护工作电压为450V，即TOP245Y 在本电路中的直流电压范围为100～450V，一旦超出了该电压范围，TOP245Y 将自动关闭。 3. 电源性能测试及结果分析
热熔胶涂胶机实测结果表明，该电源工作在满载状态时，电源工作的最大占空比约为0.4，电源转换效率约为90%，纹波电压控制、电压调节精度及电源工作效率都达到了设计指标，并超过了以往采用控制电路与功率开关管相分立的拓扑结构形式的开关电源。
4. 结语
反激式功率变换对多路输出的负载有较好的自动平衡能力，特别适应用于电气控制系统中电压电流等级多，功率小的特点 [5]，能很好的适应输入电压高且波动范围大的要求，使该电源的稳定性和可靠性得到了很大提高。PWM 集成电路和功率开关的集成模块化，最大限度的保证了参数最优化和高的转换效率，大大减少了“热损失”。
本文所介绍的宽范围输入的稳压开关电源，结构简单，性能可靠，成本低廉，已成功应用于电能质量谐波检测装置中。该电路稍加改动，即可实现单路或多路输出，升压或降压输出，正压或负压输出，因此，具有很大的可移植性和实用性，同时，这也是稳压电源的发展图4： 输入115V AC ，额定负载
上：V Drain ,200v, 2µs/div混凝土胶粘剂
下：I Drain , 0.5A, 2µs/div
石灰投加图6：＋5V ，115V AC ，最大负载
5ms 20mV/div 图5：输入230V AC ，额定负载 上：V Drain , 200v, 2µs/div 下：I Drain , 0.5A, 2µs/div
V Drain
I Drain
V out1图7：－5V ，115V AC ，最大负载
5ms 50mV/div
V out2
方向。
本文作者创新点：本文给出了一种快速设计高可靠性开关电源的方法，采用新型单片TOPSwitch-GX245Y芯片，不仅与线性稳压电源相比有许多优点，而且与传统的开关电源芯片相比也显其优越性，传统开关电源设计一般采用分立的MOSFET功率开关管和多引脚的PWM 集成控制器，外围电路结构复杂繁琐，系统的稳定性不够理想，最终调试非常麻烦，且分立的MOSFET功率开关对开关电源的效率亦有限制；而新型单片TOPSwitch-GX芯片将PWM集成电路和MOSFET功率开关，集成在同一块芯片上，从而大大提高了系统的稳定性、转化效率，简化了电路的复杂性，缩短了设计周期。
[ 参考文献]
[1] 沙占友. 单片开关电源最新应用技术[M]. 北京：机械工业出版社，2003
[2] 陈伟，马金平，杜志江，李永利. 基于DSP的PWM型开关电源的设计[J]. 微计算机信息,
2006,1-2:238-240
[3] Power Integrations公司产品手册,2001
[4] 刘胜利.现代高频软开关电源应用技术[M]. 北京：电子工业出版社，2001.
[5] 张占松.高频开关稳压电源[M].广州：广东科技出版社,1993.
作者简介：
何东升（1978-），男，汉族，硕士研究生，主要从事电力电子装置方面的研究。黄军导航
刘永强（1962-），男，汉族，博士，教授，主要从事电能质量监测及电力电子变流技术等方面的研究工作。
王端阳（1982-），男，汉族，硕士研究生，主要从事电力电子装置方面的研究。
王 佩 （1983-），女，汉族，硕士研究生，主要从事电力电子装置方面的研究。 Biography: He Dong-sheng(1978-), male, Han, master , major in the power electronic installation。
通信地址：广州五山华南理工大学电力学院
邮编：510640
E-Mail:china5371259@126
联系人：何东升
资助基金项目：广东省工业攻关项目(NO.2004A10502001，003049).项目经济效益（30万元）. Project Supported by the Technology Brainstorming Item of Guangdong province in China (NO.2004A10502001，003049).
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