基于TOP234Y和8051的多路开关电源设计

摘要：分析一种采用TOP234Y型多功能单片机开关电源与8051型单片机结合设计多路开关电源的方案，同时介绍TOP34Y的内部结构及工作原理，给出该开关电源的主电路及外围电路的设计方法。 关键词：开关电源 TOP234Y 8051型单片机 引言 电源历来是各种电子设备中不可缺少的组成部分，其性能优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠地工作。单片开关电源自问世以来便显示出其强大地优越性，是设计开发各种高效率中、小功率开关电源的优势器件。随着生产、生活中自动化程度的不断提高，开关电源也朝着智能化方向发展，由微控制器控制的开关电源将单片开关电源与单片机控制相结合，更加体现了开关电源的可靠性和灵活性。本文介绍一种TOPSwitch-FX系列与单片机结合设计的开关电源。 1 TOPSwitch-FX系列简介 TOPSwitch-FX系列是美国PI公司推出的具有高性价比的5端单片开关电源集成电路，包括TOP232P/G/Y-TOP234P/G/Y。 1．1 TOPSwitch-FX系列的引脚功能 TOP234Y采用TO-220-7B封装，有5个引脚，分别是控制端C、多功能端M、源极S、开关频率选择端F、漏极D。各管脚的功能如下： 控制端C：误差放大器和反馈电流的输入端，用于占空比控制。 图1 多功能端M：线路过压、欠压保护输入端；连接线电压前馈以降低最大占空比；电流极限外部设定端；远端开/关遥控及同步；将该端与S端短接将禁止芯片功能，使其工作在简单的3端模式下。 源极S：连接内部MOSFET功率管的源极，最初级控制电路的公共端和参考点。 开关频率选择端F：用于选择开关频率的输入端，该端与S端相连可得到130kHz开关频率，这有助于减小高频变压器的体积。该端与C端连接可得到65kHz开关频率。待机模式下选择半频（65kHz）工作模式能将电源功耗降至最低。P与G系列的TOPSwith没有开关频率选择端F。 漏极D：连接内部高压MOSFT功率管的漏极，通过内部开关高压电流源提供启动偏置电流。 1．2 TOPSwitch-FX系列的内部结构 TOPSwitch-FX系列的内部结构如衅1所示，主要由以下部分组成：控制电压端、基隙基准电压源、频率抖动振荡器、并联调整器/误差放大器、脉宽调制器、过流比较器、门驱动级和输出级、逐步形具有滞后特性的过热保护电路、关断/自动重启动电路、高压电流源泉、软启动电路、欠电压比较器、电流极限调节器、线路检测器、多功能端的内部电路。其工作原理是通过反馈电流来调节占空比。 2 TOP234Y与8051的开关电源设计 笔者设计的开关电源具有3路输出电压，分别是U01（5V，2.5A）、U02（5V，150mA）、U03（12V，1A），总功率25W。其中的U02主要是为8051或8051需增加的其他外设器件（如EEPROM）供电，U01和U03是为需大电压大电流的设备供电。设计中主要使用1个TOP234Y、3个光耦合器LTV817A及1个8051单片机。具体设计电路和器件参数如图2所示。 2．1 主电路设计 将除TOP234Y和8051外的电路称为主电路。电压输入电流为交流85V～265V，可适用于大多数应用场合。为承受可能从电网窜入的雷击电压，在交流输入端并联1只压敏电阻器VSR，并且加入1只熔断器，以保证整个电路的安全。为了抑制电路的电磁干扰，在交流侧串入电磁干扰滤波器（由C0，L1组成）来抑制开关电源的上升时间以及变压器振动等产生的噪音。 交流电经过桥式整流器和C1整流滤波后产生高压直流来给高频变压器的一次绕组供电。VS1和VD1能将漏感产生的尖峰电压箝位到安全值，并能衰减振铃电压。VS1采用反向击穿电压为200V的P6KF200型瞬态电压抑制器，VD0采用1A/600V的UF4006型超快恢复二极管。C1为安全电容，接在直流高压端和地之间，能滤除一次绕组、二次绕组耦合电容产生的共模干扰。 高频变压器采用EEL25。为减少高频变压器体积和增强磁场耦合程度，二次绕组采用了堆叠式绕法。二次绕组中的一路电压经过VD2、C2、L2及C3整流滤波后得到所需的电压。由于单片开关电源的开关频率较高，因此在输出整流管关断后的反向恢复过程中，会产生开关噪音，容易损坏整流管，而由阻容元件组成的RC电路虽然能对保护二极管和降噪起到一定作用，但效果不很理想，还会在电阻器上产生功率损耗，因此这里选用电感器来代替电阻器。渺茫 皮电感器L2选用3.3VμH穿心电感器，可滤除VD2在反向恢复过程中产生的开关噪音。基于以上考虑，次级绕组的其它几路输出均采用此方法滤波和消噪。反馈绕组不仅直接作为一路输出电压，而且还为TOP234Y提供了所需偏压。C6为保护电容器，用于滤除由一次、二次绕组耦合电容器引起的干扰。 图2 2．2 控制电路设计 控制电路主要指单片机开关电源器件TOP234Y和单片机8051的外围电路。开关电源部分主要由TOP234Y（U1）、线性光耦合器LTV817A（U2）组成。控制部分主要由单片同8051、线性光耦合器LTV817A（U3、U4）、按键SB组成。 利用TOP234Y的M端。可经组成以下三种形式的开关电路，如图3（a）～(c)所示。图3（a）为带极限电流设定的ON激活方式通/断电路，图3（b）为带极限电流设定的OFF激活方式通/断电路，图3（c）为带线性传感器的OFF激活方式通/断电路。图中的开关管QR即可用炮耦合器也可以用手动开关。其中“ON激活”是指当ON/OFF端为高电平时开关电源激活，反之低电平激活的称为“OFF激活”。本文采用的是第一种控制方式，线路简单，元件相对少。 当开关按键SB按下时VD5导通，TOP234Y的M和S接通，电路工作在三端模式，多功能端和开关频率选择端不起作用。这时U02有电压输出并为8051供电，8051经过初始程序复位后正常工作，流过U3上的电流使光耦合器接通，随后8051检测到P1.0被拉至低电平，程序接收到中断后转入TOP234Y启动程序，接着给P1.1一个信号驱动U4，从而将TOP234Y的多功能端M和开关频率选择端F接通，使TOP234Y保持在接通状态，正常工作。 当需要关断时（TOP234Y并不完全关断），可按下SB，一样通过U3将信号传输给8051，8051的P1.0检测到低电平信号后，将转入关断程序，根据需要，这期间8051还可执行别的操作，比如保存数据、安全停止正在运行的外部设备等。8051的操作完成后，再转入关断程序，从P1.1给出信号，将U4截止，这样一来TOP234Y的漏极电流仅为0.6μA，功耗非常小。 若8051不由该开关电源供电，而改由其他设备供电时，则可以在8051内设置定时启动程序，预定的时间到后，P1.1输出信号直接将TOP234Y的M和F端短接，TOP234Y随之启动。输出的电压可以带动外部设备，从而实现定时自动运行，如果接入遥控程序和设备，还可以实现远端遥控定时启动。 基于8051的开关电源设计还有许多方法，例如在图2所示的设计图中，用8051来控制TOP234Y的源极S端、控制端C和开关频率选择端F的通断就可以实现开关频率切换，将F端接C端就可以实现65kHz的开关频率，在视频控制中选择这种半频工作可以进一步降低设备对视频噪音的敏感程度。 图3 2．3 设计使用中应注意问题 （1）由于开关电源的软启动时间和8051的复位初始化时间都可以起到延迟作用，因此，按键SB上不需要加防抖动电路，这也就需要将SB按到底，给开关电源和8051以足够的时间启动，而不能只是轻轻点击一下按键，否则无法启动。 （2）如果按键SB、U3及U4距离TOP234Y的M端不够近，则需并入电容CN以消除开关时的噪音。 3 结论 TOPSwitch-FX系列内部集成了功率开关MOSFET及各种保护电路，配合外部电路可以实现多达14种控制功能，而将该电路与微控制器（不限于8051）结合使用则能实现更多功能并体现设计的灵活性。本文仅给出部分功能的实现方法，更多TOPSwitch-FX与微控制器结合设计的电路有待于进一步开发。