新型开关芯片TOP224P在开关电源中的应用

    摘要：本文介绍了第二代TOP开关芯片TOP224P的工作原理及功能特点，并叙述了其在双路输出开关电源设计中的具体应用。

    关键词：整流　滤波　占空比

　　1　引言

　　美国TOPSWitch公司生产的第一代TOP开关芯片在开关电源的设计中已得到了广泛应用。目前，该公司又最新推出了第二代开关芯片TOPSWitch-Ⅱ系列，与第一代TOP开关相比，性能有很大提高，AD/DC效率高达90%，并具有输出功率范围大，成本低，集成化程度高，电路设计简单等特点。芯片内的许多电路都作了改进，使开关电源的设计更加容易。本文应用的TOP224P是TOPSWitch-Ⅱ系列中的芯片。

　　2　TOP224P芯片简介

　　2.1　管脚介绍

　　该芯片由漏极端、控制端、源极端三个管脚组成。

　　漏极端(DRAIN脚)与输出MOSFET漏极连接。启动时，提供内部偏置电流，控制端(CONTROL脚)控制输出占空比，是误差放大器和反馈电流的输入端。正常工作时，由内部并联稳压器提供内部偏置电流，也可以作电流旁路和自动启动/补偿电路电容的接点，源极端(SOURCE脚)和输出MOSFET的源极连接，也是开关电源初级电路的公共点和参考点。

　　2.2　芯片内部工作原理介绍

　　芯片内部工作原理框图如图1所示。该芯片由MOSFET.PWM控制器、高压启动电路环路补偿和故障保护电路等部分组成。具体工作过程如下：在控制端环路振荡电路的控制下，漏极端有电流输入芯片提供开环输入，该输入通过并联稳压运放误差放大器时，由控制端进行闭环调整，改变IFB，经PWM控制MOSFET的输出占空比，最后达到动态平衡。
 

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图1  芯片内部工作原理框图
 
　　2.3　芯片功能特点介绍

　　TOP224P是一个自编置、自保护的电流--占空比线性控制转换器。由于采用CMOS工艺，转换效率与采用双集成电路和分立元件相比，偏置电流大大减少，省去了用于电流传导和提供启动偏置电流的外接电阻。在正常工作时，内部MOSFET输出脉冲的占空比随着CONTROL脚电流的增加而线性减少。

　　TOP224P通过高压电流源的接通和断开，使控制电压VC保持在4.7-5.7V之间。芯片内部电压都取自具有温度补偿的带隙基准电压，能产生可微调的温度补偿电流源，用来精确地调节振荡的频率和MOSFET的栅极驱动电流。振荡器额定频率选为100KHz，可降低EMI，提高电源的效率。栅极驱动电流可逐周限流微调，从而提高精度。

　　此外，该芯片还有关断/自动重新启动、过热保护等自身保护功能。

　　3　TOP224P在双路输出开关电源设计中的应用

　　3.1　开关电源电路及工作原理

　　以+5V、+12V、20W双路输出开关电源为例，电路图如图2所示。

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图2  20W双路输出开关电源电路图
 

　　交流电源电压经BR1整流和C1滤波后，产生高压直流电压加至变压器T1和初级线圈一端，变压器初级线圈另一端接TOP224P。用VR1和D1来箝位变压器漏电感引脚的脉冲前沿尖峰。通过D3、C9、L3、C10整流滤波，再由7812稳压块进行稳压后，直接得到+12V输出电压。变压器次级线圈通过D2、C2、L1、C3整流滤波后，产生+5V直流输出电压。R2、VR2组成一稳压电路，提高负载调整能力。次级线圈T1-4两端电压经D4、C4整流滤波，提供TOP224P所需的偏置电压。L2、G、C8可以减弱由变压器原端线圈和原端到副端等效容性阻抗产生的高压开关波形引起的共模电流。L2、C6组成电磁干扰滤波器，减弱由变压器原端梯形电流的基波和高次谐波干扰产生的差模电流。C5、R3与控制端阻抗ZC设置自启动周期。
　　3.2　开关电源电路主要元件选择

　　1)开关芯片的选择

　　TOPSwitceh-Ⅱ系列芯片的选择参考表，如表1所示。

    根据输出功率的要求应选择TOP223P或TOP224P，现选择TOP224P。

    2)高压变压器的选择

    变压器原端线圈T1-1电感量依照输出功率选择，20W输出功率、50%占空比时，Lmax=630μH，

    对于+5V输出电压的副线圈T1-3和原端线圈T1-1的匝数比：

　
    其中Vmax=200V(VR1的稳压值的200V)，V0=+5V,Dmax=50%，故线圈匝数比为40。

    副端线圈T1-4的匝数和线径与副线圈T1-3一致。

    对于+12V输出电压的副线圈T1-2，其线径与T1-3一致，匝数和T1-1匝数比：

    其中V0应比+12V至少大2V。

    3)VR1的选择

    VR1要有足够的功率，在大电流输出的条件下，VR1的峰值电压应比反向输出电压高30V-80V，这里选择P6KE200，峰值电压为287V。

    4)其它重要元件的选择

    5)自启动周期的选择

    自启动周期的计算公式：

    T=8×(2πRC)=16π(R3+Zc)C5，其中，典型值Zc=15，芯片控制振荡频率f=100KHz，故R3=6.2,C5=47μF。
　　4　开关电源输出纹波的抑制

　　开关电源存在输出纹波大，电磁干扰强等不足，严重影响了开关电源的广泛应用。在图2电路中，C9、L3，C10和C2、L1、C3分别用来抑制来自超高频和高频噪声；U2，TOP224P组成有源低频滤波器，用来抑制输出交流噪声；C7、C8组成共模干扰滤波器，用来抑制寄生参数的共模噪声。在三种滤波器的共同作用下，使开关电源的输出纹波由原来的340mV降为30mV，进一步扩大了开关电源的应用。

　　5　结束语

　　本文应用TOP224P设计了双路输出开关电源，该电源不仅具有效率高，输出电压纹波小，带负载能力强、成本低、设计电路简单等特点，而且还具有温度补偿、逐周限流、过热保护、自动重新启动等功能。该开关电源已在GDJ-100型称重控制器中得到应用，电源工作稳定，可靠性强，具有实用和推广价值。

    参考文献

　［1］福州高乔电子有限公司，电源集成电路数据手册，1995.6。
　［2］童诗白等编，模拟电子技术基础，北京人民教育出版社，1921。
　［3］房国志，张静，DGJ-100型称重控制器的研制，自动化技术与应用，1998.4。