TOPSwitch?GX系列单片开关电源的快速设计法

TOPSwitch?GX系列单片开关电源的快速设计法  

TOPSwitch?GX属于高性价比的单片开关电源。下面介绍利用特性曲线快速选择TOPSwitch?GX芯片并估算电源效率η和芯片功耗PD的方法。快速设计法可为设计单片开关电源提供重要依据。

1快速选择TOPSwitch?GX芯片的方法

TOPSwitch?GX的交流输入方式有两种：宽范围输入（交流85V～265V，亦称世界通用的供电电压输入），固定输入（交流230V±15％，亦称单一供电电压输入）。下面介绍四种快速选择曲线及其使用方法和设计实例。

1.1宽范围输入时PD与η、PO的关系曲线

TOPSwitch?GX系列产品在宽范围输入条件下，当输出电压UO=＋5V、＋12V时，PD与η、输出功率（PO）的关系曲线，分别如图1、图2所示。现规定以下条件：开关频率f=132kHz；交流输入电压U=85V～265V；输入滤波电容CIN的容量按3μF/W的比例系数选取；初级感应电压UOR=135V；漏极钳位电压UB=200V，漏极钳位电路中可以并联上RC网络，以减少瞬态电压抑制器的损耗；输出整流管采用肖特基二极管，5V输出时正向压降为0.45V、反向耐压为45V；12V输出时分别为0.54V、100V；TOPSwitch?GX在额定输出时的最低结温Tjmin=100℃（仅Y封装为110℃）。图中，横坐标代表PO，纵坐标代表η。所给出的八条实线依次对应于TOP242～TOP249的电源效率，虚线则表示芯片功耗的等值线。图中的阴影区对应于输出电流IO>10A的情况，若要使用该区域内的曲线部分，应选更大功率的输出整流管并增加滤波电容的容量，此时电源效率会降低些。

图1宽范围输入、5V输出时PD与η、PO的关系曲线

图2宽范围输入、12V输出时PD与η、PO的关系曲线

图3固定输入、5V输出时PD与η、PO的关系曲线

1.2固定输入时PD与η、PO的关系曲线

TOPSwitch?GX系列产品在固定输入条件下，当UO=＋5V、＋12V时，PD与η、PO的关系曲线，分别如图3、图4所示。这里假定U=230V±15％，CIN的容量按1μF/W的比例系数选取。其余条件同上。

1.3快速选择曲线的使用方法

利用上述曲线能快速选择TOPSwitch?GX芯片，并得到电源效率和芯片功耗的估计值，也为选择散热器提供了依据。由于这些曲线反映了PD、η、PO参数的内在联系，因此所得到的估计值是可信的。

使用快速选择曲线的方法如下：

（1）根据预先确定好的U、UO值，选择适用的特性曲线；

（2）从横坐标上查出所预期的输出功率点（PO）；

（3）沿此功率点垂直向上移动，直到与第一条实

曲线相交；

（4）读出该交点对应于纵坐标的电源效率值；

（5）确定该效率值是否满足设计要求，如不满足，再向上移动查找其他曲线；

（6）从虚线（等值线）上读出所选芯片的功耗PD，供设计散热器时参考。

最后再利用电子数据表格或PI专家系统完成整个开关电源的设计工作。

需要指出，设计人员所预期的输出功率值可能对应于几种不同型号的芯片。此时从横坐标垂直上移时所遇到的第一条实曲线，就代表输出功率最小、成本最低的TOPSwitch?GX芯片，而遇见的最后一条实曲线，则表示功率最大、效率最高、价格较贵的芯片。应根据实际情况合理地选择。此外，若UO为5V～12V中间的某一数值，则可用外插法从两条曲线中间找一个合适的工作点。注意，适当提升输出电压可以提高电源效率。例如在一个通用型12V、70W的设计曲线中，用TOP249Y估计有79.5％的效率，若将输出电压提升到19V，效率就将达到85％。而由TOP249Y构成交流230V输入、输出为48V、250W的敞开式开关电源，其效率可达84.5％。

1.4应用实例

例1设计一个宽范围输入、输出为5V、30W的开关电源

从图1所示曲线上可以查出，当PO=30W时可选TOP244芯片。此时交点所对应的电源效率为67.5％，TOP244的功耗为3.5W。若采用TOP245芯片，则效率可提高到70.5％，功耗也降至2.5W。当PD=1.5W时，可选Y封装的芯片。

例2设计一个宽范围输入、输出为12V、12W的电源适配器

由图2上可以查出，适合PO=12W的芯片型号有两种：TOP243、TOP244。所不同的是选择TOP243时，η=82％，PD=0.7W；若选TOP244，则η=83％，PD=0.5W，考虑到电源适配器密封在塑料盒内，散热条件较差，要求Tjmin≤100℃。对于DIP?8B封装的芯片，在印制板上用232mm2敷铜箔作散热器时，其芯片结温到周围空气的总热阻RθA=35℃/W。假定最高环境温度TAM=50℃，塑料盒内还有大约20℃的温升△T，即盒内温度T'A=TAM＋△T=70℃。根据下式可计算出额定输出时芯片的最低结温：

图4固定输入、12V输出时PD与η、PO的关系曲线

表2宽范围输入、12V输出时关键元件的典型参数

表1宽范围输入、5V输出时关键元件的典型参数

Tjmin=T'A＋RθA·PD

对TOP243P而言，PD=0.7W时，Tjmin=70＋35×0.7=94.5℃<100℃。对于TOP244P，PD=0.5W时不难算出Tjmin=87.5℃。因此，如果塑料盒内没有足够的空间安装散热器时，选择TOP244P就更为适合。

例3设计一个宽范围输入、输出为12V、70W的开关电源

由图2可见，有4种芯片可满足要求：TOP246Y（效率73.8％，功耗8W）；TOP247Y（效率77％，功耗5.5W）；TOP248Y（效率78.5％，功耗4.5W）；TOP249Y（效率79.5％，功耗3.9W）。显然，选择TOP249Y时电源效率最高，而器件的功耗为最低，但其价格要稍贵些。

2关键元件的典型参数值

TOPSwitch?GX在宽范围输入、输出为5V或12V时，关键元件的典型参数值分别见表1和表2，所列数据可供设计开关电源时参考。表中，LP、LP0分别为高频变压器初级电感量和初级漏感量，f0是次级开路时高频变压器的谐振频率，ZP、ZS依次为初级和次级绕组的交流阻抗，PL为磁芯的功率损耗。

3设计注意事项

必须指出，TOPSwitch?GX的快速设计法旨在提供设计开关电源的正确途径，所得到的PD、η参数均为估计值。最终能否达到设计指标，还受诸多因素的影响。下面阐述设计过程中的一些注意事项。

3.1造成开关电源性能指标降低的主要因素

（1）当输入滤波电容CIN的容量存在负偏差或因电容衰老而使容量减小时，会导致直流输入电压UI降低，初级有效值电流增大，使可用芯片的选择范围减小；

（2）受制造工艺的限制，高频变压器的初级电感量LP可能有较大的偏差。LP过大，需增大高频变压器的尺寸；而LP过小，会使初级脉动电流和有效值电流增大，增加芯片的功耗，要采用较大功率的TOPSwitch?GX芯片；

（3）快速选择曲线仅适合于交流输入为正弦波。当电网波形有严重失真时，会导致整流滤波后的UI降低，有可能使芯片欠压保护。此时应增大输入滤波电容CIN的容量，或者降低PO值；

（4）初级感应电压UOR对电源效率有很大影响。UOR太高，不仅会增加钳位保护电路的功耗，还容易烧毁钳位二极管，进而损坏TOPSwitch?GX芯片。另外，UOR过低，会降低输出功率和电源效率；

（5）低压输出时，要求输出滤波电容COUT的等效串联电阻（ESR）必须很低，以免增加次级损耗；

（6）为提高电源效率，必须减小高频变压器的初级漏感LP0。正确的设计应使LP0／LP的比值不超过1％～1.5％。否则，应改进高频变压器的结构和制造工艺。测量LP0时，应先把次级绕组短路，再用数字电感表或RLC自动测量仪测量初级绕组两端的漏感《电源技术应用》2001年9月第9期

量；

（7）开关电源的效率愈低，表明芯片功耗愈大。当效率过低时有可能从快速曲线上查不到任何一条实曲线，此时虚线亦失效，这证明设计不合理，需重新设计。

3.2提高开关电源性能指标的方法

（1）前面提到CIN的每W电容量推荐值，只是能满足设计指标并降低电容器成本的基本条件。但就电源效率和CIN的使用寿命而言，适当提高每W的电容量值，定能达到更好的性能指标，只是CIN的容量增大了，成本也会相应增加；

（2）若已确信开关电源总处于低压输入情况，可适当提高钳位电压UB和感应电压UOR。这样虽然会增大次级峰值电流ISP，却能提高总的电源效率并降低芯片功耗。令输出整流管的反向耐压值为U（BR）S，有下述关系式：UOR↑→D↓→IRMS↓→Tjmin↓→U(BR)S↓。这就便于选择低耐压、高效率的肖特基二极管作整流管；（3）对于TOPSwitch?GX芯片，可得到两个互相独立的最大输出功率值。一个是通过设定工作参数（例如Dmax、）而得到的；另一个是由芯片最低结温Tjmin所决定的热状态下最大输出功率。快速选择曲线未考虑Tjmin的限制，而后者可能使设计的输出功率低于芯片最大输出功率，此时可相应增加初级电感量并改善散热条件。将电源适配器设计在连续模式下工作，能够降低芯片的功耗；

（4）使用快速选择曲线的条件之一是TOPSwitch?GX在低于100℃结温下工作。如能在较低的结温下工作，会改善其输出特性。此外，适当增加散热器面积，也有助于提高电源效率和输出功率。