基于TOP249Y芯片的开关电源设计

摘要：介绍了一种采用TOP249Y智能控制集成芯片设计的开关电源的方法，同时介绍了TOP249Y芯片的内部结构及工作原理，给出了基于TOP249Y的单端反激式开关电源的设计电路，并对外围电路的设计进行了分析说明。 关键词：开关电源；TOP249Y；脉宽调制；TOP Switch １　引言 随着ＰＷＭ技术的不断发展和完善，开关电源得到了广泛的应用，以往开关电源的设计通常采用控制电路与功率管相分离的拓扑结构，但这种方案存在成本高、系统可靠性低等问题。美国功率集成公司ＰＯＷＥＲ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ Ｉｎｃ开发的ＴＯＰ Ｓｗｉｔｃｈ系列新型智能高频开关电源集成芯片解决了这些问题，该系列芯片将自启动电路、功率开关管、ＰＷＭ控制电路及保护电路等集成在一起，从而提高了电源的效率，简化了开关电源的设计和新产品的开发，使开关电源发展到一个新的时代。文中介绍了一种用ＴＯＰ Ｓｗｉｔｃｈ的第三代产品ＴＯＰ２４９Ｙ开发变频器用多路输出开关电源的设计方法。 ２　ＴＯＰ２４９Ｙ引脚功能和内部结构 ２．１ ＴＯＰ２４９Ｙ的管脚功能 ＴＯＰ２４９Ｙ采用ＴＯ－２２０－７Ｃ封装形式，其外形如图１所示。它有六个管脚，依次为控制端Ｃ、线路检测端Ｌ、极限电源设定端Ｘ、源极Ｓ、开关频率选择端Ｆ和漏极Ｄ。各管脚的具体功能如下： 控制端Ｃ：误差放大电路和反馈电流的输入端。在正常工作时，利用控制电流ＩＣ的大小可调节占空比，并可由内部并联调整器提供内部偏流。系统关闭时，利用该端可激发输入电流，同时该端也是旁路、自动重启和补偿电容的连接点。 线路检测端Ｌ：输入电压的欠压与过压检测端，同时具有远程遥控功能。ＴＯＰ２４９Ｙ的欠压电流ＩＵＶ为５０μＡ，过压电流Ｉａｖ为２２５μＡ。若Ｌ端与输入端接入的电阻Ｒ１为１ＭΩ，则欠压保护值为５０ＶＤＣ，过压保护值为２２５ＶＤＣ。 极限电流设定端Ｘ：外部电流设定调整端。若在Ｘ端与源极之间接入不同的电阻，则开关电流可限定在不同的数值，随着接入电阻阻值的增大，开关允许流过的电流将变小。 源极Ｓ：连接内部ＭＯＳＦＥＴ的源极，是初级电路的公共点和电源回流基准点。 开关频率选择端Ｆ：当Ｆ端接到源极时，其开关频率为１３２ｋＨｚ，而当Ｆ端接到控制端时，其开关频率变为原频率的一半，即６６ｋＨｚ。 漏极Ｄ：连接内部ＭＯＳＦＥＴ的漏极，在启动时可通过内部高压开关电流提供内部偏置电流。 ２．２ ＴＯＰ２４９Ｙ的内部结构 ＴＯＰ２４９Ｙ的内部工作原理框图如图２所示，该电路主要由控制电压源、带隙基准电压源、振荡器、并联调整器／误差放大器、脉宽调制器（ＰＷＭ）、门驱动级和输出级、过流保护电路、过热保护电路、关断／自动重起动电路及高压电流源等部分组成。 ３ 基于ＴＯＰ２４９Ｙ的开关电源设计 笔者利用ＴＯＰ２４９Ｙ设计了一种新型多路输出开关电源，其三路输出分别为５Ｖ／１０Ａ、１２．５Ｖ／４Ａ、７Ｖ／１０Ａ，电路原理如图３所示。该电源设计的要求为：输入电压范围为交流１１０Ｖ～２４０Ｖ，输出总功率为１８０Ｗ。由此可见，选择ＴＯＰ２４９Ｙ能够满足要求。 ３．１ 外围控制电路设计 该电路将Ｘ与Ｓ端短接可将ＴＯＰ２４９Ｙ的极限电流设置为内部最大值；而将Ｆ端与Ｓ端短接可将ＴＯＰ２４９Ｙ设为全频工作方式，开关频率为１３２ｋＨｚ。 图2 在线路检测端Ｌ与直流输入Ｕｉ端连接一２ＭΩ的电阻Ｒ１可进行线路检测，由于ＴＯＰ２４９Ｙ的欠压电流ＩＵＶ为５０μＡ，过压电流Ｉａｖ为２２５μＡ，因此其欠压保护工作电压为１００Ｖ，过压保护工作电压为４５０Ｖ，即ＴＯＰ２４９Ｙ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，ＴＯＰ２４９Ｙ将自动关闭。 ３．２ 稳压反馈电路设计 反馈回路的形式由输出电压的精度决定，本电源采用“光耦＋ＴＬ４３１”，它可以将输出电压变化控制在%26;#177;１％以内，反馈电压由５Ｖ／１２Ａ输出端取样。电压反馈信号Ｕ０通过电阻分压器Ｒ９、Ｒ１１获得取样电压后，将与ＴＬ４３１中的２．５Ｖ基准电压进行比较并输出误差电压，然后通过光耦改变ＴＯＰ２４９Ｙ的控制端电流ＩＣ，再通过改变占空比来调节输出电压Ｕ０使其保持不变。光耦的另一作用是对冷地和热地进行隔离。反馈绕组的输出电压经Ｄ２、Ｃ２整流滤波后，可给光耦中的接收管提供电压。Ｒ４、Ｃ４构成的尖峰电压经滤波后可使偏置电压即使在负载较重时，也能保持稳定，调节电阻Ｒ６可改变输出电压的大小。 ３．３ 高频变压器设计 由于该电源的输出功率较大，因此高频变压器的漏感应尽量小，一般应选用能够满足１３２ｋＨｚ开关频率的锰锌铁氧体，为便于绕制，磁芯形状可选用ＥＩ或ＥＥ型，变压器的初、次级绕组应相间绕制。 高频变压器的设计由于要考虑大量的相互关联变量，因此计算较为复杂，为减轻设计者的工作量，美国功率公司为ＴＯＰ Ｓｗｉｔｃｈ开关电源的高频变压器设计制作了一套ＥＸＣＥＬ电子表格，设计者可以方便地应用电子表格设计高频变压器。 ３．４ 次级输出电路设计 输出整流滤波电路由整流二极管和滤波电容构成。整流二极管选用肖特基二极管可降低损耗并消除输出电压的纹波，但肖特基二极管应加上功率较大的散热器；电容器一般应选择低ＥＳＲ等效串联阻抗的电容。为提高输出电压的滤波效果，滤除开关所产生的噪声，在整流滤波环节的后面通常应再加一级ＬＣＣ滤波环节。 ３．５ 保护电路设计 本电源除了电源控制电路ＴＯＰ２４９Ｙ本身所具备的欠压、过压、过热、过流等保护措施外，其外围控制电路也应有一定的保护措施。用Ｄ３、Ｒ１２、Ｑ１可构成一个５．５Ｖ的过压检测保护电路。这样，当５Ｖ输出电压超过５．５Ｖ时，Ｄ３击穿使Ｑ１导通，从而使光耦电流增大，进而增大了控制电路ＴＯＰ２４９Ｙ的控制端电流ＩＣ，最后通过内部调节即可使输出电压下降到安全值。 图3 为防止在开关周期内，ＴＯＰ２４９Ｙ关断时漏感产生的尖峰电压使ＴＯＰ２４９Ｙ损坏，电路中设计了由箝压齐纳管ＶＲ１、阻断二极管Ｄ１、电容Ｃ５、电阻Ｒ２、Ｒ３组成的缓冲保护网络。该网络在正常工作时，ＶＲ１上的损耗很小，漏磁能量主要由Ｒ２和Ｒ３承担；而在启动或过载时，ＶＲ１即会限制内部ＭＯＳＦＥＴ的漏极电压，以使其总是处于７００Ｖ以下。 ４ 电源性能测试及结果分析 根据以上设计方法，笔者对采用ＴＯＰ２４９Ｙ设计的多路输出开关电源的性能进行了测试。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，电源的效率约为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。 ５　结论 由于ＴＯＰ２４９Ｙ芯片内部集成有ＰＷＭ控制器、功率开关ＭＯＳＦＥＴ以及多种保护电路，所以采用该芯片设计出的开关电源具有成本低、外围线路简单、体积小、效率及可靠性高等特点，因而在中功率电子设备中具有广泛的应用前景。本文设计的开关电源已应用于某变频器的控制电路中，且取得了较好的应用效果。