单片开关电源设计要点及电子数据表格

利用计算机设计单片开关电源讲座

第三讲

单片开关电源设计要点及电子数据表格

1单片开关电源的设计要点

1.1电源效率的选定

开关电源效率（η）是指其输出功率（PO）与输入功率（PI）（即总功率）的百分比。需要指出，单片开关电源的效率随输出电压（UO）的升高而增加。因此，在低压输出时（UO=5V或3.3V），η可取75％；高压输出时（UO≥12V）,η可取85％。在中等电压输出时（5V因电源效率η=PO／PI，故开关电源的总功耗PD=PI－PO=－PO=·PO（1）

PD中包括次级电路功耗和初级电路功耗。重要的是应知道初、次级功耗是如何分配的。损耗分配系数（Z）即反映出这种关系。

设初级功耗为PP，次级功耗为PS，则PP＋PS=PD，Z=PS／PD，而1－Z=PP／PD。需要注意的是，次级功耗与高频变压器传输功率的大小有关，而初级钳位二极管的功耗应归入次级功耗之中。这是因为输入功率在漏极电压被钳位之前，已被高频变压器传输到次级的缘故。

1.2如何计算输入滤波电容的准确值

输入滤波电容的容量是开关电源的一个重要参数。CIN值选的过小，会使UImin值大大降低，而输入脉动电压UR却升高。但CIN值取得过大，会增加电容器成本，而且对于提高UImin值和降低脉动电压的效果并不明显。下面介绍计算CIN准确值的方法。

交流电压u经过桥式整流和CIN滤波，在u=umin情况下的输入电压波形如图1所示。该图是在PO=POM，fL=50Hz（或60Hz）、整流桥的响应时间tc=3ms、η=80％的情况下绘出的。由图可见，在直流高压UImin上还要叠加上一个幅度为UR的初级脉动电压，这是CIN在充放电过程中形成的。

欲获得CIN的准确值，可按下式进行计算：CIN=（2）

图1交流电压为最小值时的输入电压波形

图2正向恢复时间的电压波形

图3TOPSwitch?Ⅱ等系列在230V交流输入时各电压参数的电位分布

举例说明，在宽范围电压输入时，umin=85V。取UImin=90V，fL=50Hz，tc=3ms，假定PO=30W，η=80％，一并带入式（2）中求出CIN=84.2μF，比例系数CIN／PO=84.2μF／30W=2.8μF／W，这恰好在（2～3）μF／W允许的范围之内。

1.3初级各电压参数的电位分布情况

下面详细介绍输入直流电压的最大值UImin、初级感应电压UOR、钳位电压UB与UBM、最大漏极电压

UDmax、漏?源击穿电压U(BR)DS这6个电压参数的电位分

布情况，使读者能有一个定量的概念。

对于TOPSwitch?Ⅱ系列单片开关电源，其功率开

关管的漏?源击穿电压U(BR)DS≥700V，现取下限值700V，

其感应电压UOR=135V。本来初级钳位二极管的钳位电压UB只需取135V，即可将叠加在UOR上由漏感而造成的尖峰电压吸收掉，实际却不然。手册中给出UB参数值仅表示工作在常温、小电流情况下的数值。实际上钳位二极管（即瞬态电压抑制器TVS）还具有正向温度系数，它在高温、大电流条件下的钳位电压UBM要远高于UB。实验表明，二者存在下述关系：

UBM≈1.4UB（3）

这表明UBM大约比UB高40％。此外，为防止钳位二极管对初级感应电压UOR也起到钳位作用，所选用的TVS钳位电压应按下式计算：

UB=1.5UOR（4）

此外，还须考虑与钳位二极管相串联的阻塞二极管VD1的影响。VD1一般采用超快恢复二极管（SRD），其特征是反向恢复时间（trr）很短。但是VD1在从反向截止到正向导通过程中还存在着正向恢复时间（tfr），还需留出20V的电压余量。正向恢复时间定义为：给二极管施加一个正向瞬态电压，使之从电流为零的反向电压偏置状态转入正向电压偏置状态，直到管子的正向电压恢复到规定值所需要的时间间隔。设二极管正向压降的典型值为UF，这里讲的规定值即为1.1UF。正向恢复时间的电压波形如图2所示。由图可见，当给二极管加上正向瞬态电压时，管子由截止状态转变成导通状态的过程如下：管子的正向电压首先要从零上升到0.1UF，然后达到峰值电压UFM，再下降到1.1UF。规定从0.1UF恢复到1.1UF所需时间，即为正向恢复时间。需要注意，正向恢复时间（tfr）和反向恢复时间（trr）属于两个性质不同的特征参数。

考虑上述因素之后，TOPSwitch?Ⅱ的最大漏?源极

电压的经验公式应为：

UDmax=UImax＋1.4×1.5UOR＋20V（5）TOPSwitch?Ⅱ各系列在230V交流固定输入时，初级电压参数对应于波形的分布情况如图3所示。此时u=230V±35V，即umax=265V，UImax=umax≈375V，UOR=135V，UB=1.5UOR≈200V，UBM=1.4UB=280V，UDmax=675V，最后再留出25V的电压余量，因此U(BR)DS=700V。实际上U(BR)DS也具有正向温度系数，当环境温度升高时U(BR)DS也会升高，上述设计就为芯片耐压值提供了额外的余量。

1.4根据IP值选择芯片的方法

单片开关电源的极限电流最小值ILIMIT（min)，均是针对室温情况下定义的。若芯片工作在比较高的温度下，其额定值应减小10％，因此通常取初级峰值电流IP=0.9ILIMIT（min)。这表明在选择芯片时，可先将IP除以0.9，转换成ILIMIT（min)值，从有关参数表中查出符合上述要求且与该数值最为接近的TOPSwitch芯片。

在PO确定之后，采用连续模式能降低IP，允许使用功率较小的芯片。若要减小磁芯及高频变压器的尺寸，应适当增加初级脉动电流IR与峰值电流IP的比值KRP。KRP的取值范围是0～1.0。KRP愈大，磁芯尺寸愈小，其代价是需采用输出功率较大的芯片。另外，增大KRP值还意味着开关电源要向不连续模式过渡，此时初级电感量LP↓，IP↑，IRMS↑，导致η↓。因此，在选择KRP值时应权衡利弊，要在减小磁芯尺寸与保证尽量高的效率这二者之间，确定最优设计方案。

2电子数据表格的结构

在用计算机设计单片开关电源时，需借助于电子数据表格才能完成。这种表格的内容以高频变压器设计为主，其它外围电路及关键元器件参数计算为辅。单路输出式开关电源的电子数据表格共分6列。A列代表输入和输出的参数。B列中是由用户输入的数据。C列为计算过程中保留的数据，这些数据可作为中间变量，在前、后设计步骤中交叉使用。D列为计算结果。E列给出的是单位（SI制）。F列是对参数的说明。

举例说明：由TOP222Y构成的7.5V、15W单片开关电源模块，其交流输入电压范围是85V～265V，电压调整率SV=±0.5％（85V～265V），负载调整率SI=±1％（负载电流从满载的10％变化到100％），输出纹波电压最大值为±50mV。表1给出该模块所对应的电子数据表格，可供读者在设计开关电源时参考。需要指出，在设计和使用电子表格时，还可根据实际电路的要求，适当增加一些参数。例如在第16行下面插入TOPSwitch的极限电流最大值ILIMIT（max)参数，并注明由此选定的芯片型号，作为新的17行，原17行就改为18行，依次顺延。表中预留出的空行也是专为插入新参数而设置的。

表1设计7.5V、15W开关电源用的电子数据表格

续表