單片開(kāi)關(guān)電源的工作原理及效率研究(Topswitch系列芯片)

本文通過(guò)分析單片開(kāi)關(guān)電源的工作原理和影響其效率的主要因素，提出了提高單片開(kāi)關(guān)電源效率的主要方法，指出了正確確定初、次級電路元件，正確設計高頻變壓器并使其具有高質(zhì)量指標是其關(guān)鍵因素。本文的分析及結論可用于指導高效單片開(kāi)關(guān)電源的設計。
近20多年來(lái)，集成開(kāi)關(guān)電源一直在沿著(zhù)兩個(gè)方向不斷發(fā)展。第一是對開(kāi)關(guān)電源的核心單元——控制電路實(shí)現集成化。第二個(gè)方向則是對中、小功率開(kāi)關(guān)電源實(shí)現單片集成化。單片開(kāi)關(guān)電源集成電路具有高集成度、高性?xún)r(jià)比、最簡(jiǎn)單的外圍電路、最佳的性能指標、能構成高效率無(wú)工頻變壓器的隔離式開(kāi)關(guān)電源等優(yōu)點(diǎn)。目前已成為國際上開(kāi)發(fā)中、小功率開(kāi)關(guān)電源、精密開(kāi)關(guān)電源、特種開(kāi)關(guān)電源及電源模塊的優(yōu)選集成電路。目前，單片開(kāi)關(guān)電源已形成了幾十個(gè)系列、數百種產(chǎn)品。然而開(kāi)關(guān)效率始終是一個(gè)眾人關(guān)注的問(wèn)題。本文就此問(wèn)題提出了一點(diǎn)自己的看法。 1 Topswitch芯片在開(kāi)關(guān)電源中的應用70年代以來(lái)，電源產(chǎn)品掀起了一波高頻化、小型化、模塊化的浪潮。從而有力地促進(jìn)了單片開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展。對于200W以下的開(kāi)關(guān)電源，與其他電路相比，應用Topswitch系列器件的電路相對簡(jiǎn)捷，體積小，重量輕，自保護功能齊全，設計方便。另外，TOPSwitch器件不必另設散熱器，也節省了成本。其內部的PWM控制器和MOSFET功率開(kāi)關(guān)管是在管殼內連接的，連線(xiàn)極短，這就消除了高頻輻射，改善了電源的電磁兼容性能，減小了器件對電路板布局和輸入總線(xiàn)的瞬變要求。

TOPSwitch-Ⅱ是TOPSwitch的改進(jìn)型號，與第一代產(chǎn)品相比，該器件在性能上有了很大改進(jìn)。它將單電壓輸入時(shí)的最大功率從100W提高到150W，電磁兼容性也得到了增強，而且具有更高的性能價(jià)格比，并使電源的體積和重量大為減小。由于它是將700 V的功率MOSFET、晶振、高壓開(kāi)關(guān)電流源、限流和熱關(guān)斷電路集成于一體，并以其突破性的設計提供了一種高效率開(kāi)關(guān)電源的設計方案，因而是具有偏置和自保護、電流線(xiàn)性占空比的變換器，該器件采用漏極開(kāi)路輸出。

第三代TOPSwitch-FX系列是一種五端單片開(kāi)關(guān)電源集成電路，它采用了“跳過(guò)周期”等新技術(shù)。如果開(kāi)關(guān)電源的負載非常輕，以至于開(kāi)關(guān)電源在最小占空比(Dmin=1.5%)之下所提供的輸出功率仍然超過(guò)負載功耗時(shí)，TOPSwitch—FX就采用跳過(guò)周期的工作方式來(lái)進(jìn)一步降低輸出功率，同時(shí)提高輕載時(shí)電壓的穩定性。此方式可等效為先將占空比固定在1.5%(或更低值)上，然后用脈沖頻率調制(PFM)方式調節輕載時(shí)的U0值。這樣，根據負載的變化情況，開(kāi)關(guān)電源能在正常工作和跳過(guò)周期方式之間自動(dòng)轉換，而無(wú)須其它控制。如不需要跳過(guò)周期，可在電源輸出端接上最小負載RLmin，并使D大于Dmin為1.5%的占空比。采用跳過(guò)周期模式不僅能獲得極低的輸出功率，而且還能減小噪聲電壓。

TOPSwitch-GX為第四代產(chǎn)品。它采用與TOPSwitch相同的拓撲電路來(lái)將高壓功率MOS-FET、脈寬調制(PWM)控制器、故障自動(dòng)保護和其它控制電路集成到單片CMOS芯片中，并將工作頻率提高到132 kHz，同時(shí)也拓展了TOP-Switch系列的功率范圍，將單電壓輸入時(shí)的最大功率提高到250 W。此外，它還集成了多項新功能，因此有效地降低了系統成本，提高了設計的靈活性、以及功能和效能。

2 影響單片開(kāi)關(guān)電源效率的主要因素

TOPSwitch系列芯片作為單片開(kāi)關(guān)電源的一部分，對電源效率有著(zhù)一定的影響。圖1所示是以ST204A型單片開(kāi)關(guān)電源模塊的內部電路。實(shí)際上，圖中電源的大部分功率損耗是由TOP204Y、鉗位二極管(VDZ)、輸出整流管(VD2)、共模扼流圈(L2)、整流橋(BR)、高頻變壓器(T)及輸入電容(C1)、輸出電容(C2)等產(chǎn)生的。它們也是影響電源效率的主要因素。

3 提高單片開(kāi)關(guān)電源效率的方法

3.1 正確確定初級電路元器件

(1)輸入整流橋(BR)的選擇

選擇具有較大容量的整流橋并使之工作在較小的電流下，可減小整流橋的壓降和功率損耗，提高電源效率。由二極管構成的整流橋(BR)的標稱(chēng)電源電流IN應大于在輸入電壓為最小值(Umin)時(shí)的初級有效電流，功率因數應取0.6～0.8之間，其具體數值取決于輸入電壓u和輸入阻抗。

(2)輸入濾波電容(C1)

輸入濾波電容C1用于濾除輸入端引入的高頻干擾，C1的選擇主要是正確估算其電容量。通常輸入電壓U1增加時(shí)，每瓦輸出功率所對應的電容量可減小。

(3)鉗位二級管(VDZ)的選擇

鉗位電路主要用來(lái)限制高頻變壓器漏感所產(chǎn)生的尖峰電壓并減小漏極產(chǎn)生的振鈴電壓。在圖1所示的單片開(kāi)關(guān)電源模塊電路中，輸入鉗位保護電路由VDZ和VD1構成。為降低其損耗，VDZ可選用P6KE200型瞬變電壓抑制二極管;VD1則選用BYV 26C型快恢復二極管。

(4)交流輸入端電磁干擾濾波器(EMI)

C6能濾除輸入端脈動(dòng)電壓所產(chǎn)生的串模干擾，L2則可抑制初級線(xiàn)圈中的共模干擾。

(5)限流保護電路

為限制通電瞬間的尖峰電流，可在輸入端接入具有負溫度系數的熱敏電阻(NTC)。選擇該電阻時(shí)應使之工作在熱狀態(tài)(即低阻態(tài))，以減小電源電路中的熱損耗

(6)輸出整流管(VD2)

正確選擇輸出整流管VD2可以降低電路損耗，提高電源效率。其方法一是選用肖特基整流管，原因是其正向傳輸損耗低，且不存在快恢復整流管的反向恢復損耗;二是將開(kāi)關(guān)電源設計成連續工作模式，以減小次級的有效值電流和峰值電流。輸出整流管的標稱(chēng)電流應為輸出直流電流額定值的3倍以上。

(7)輸出濾波電容(C2)

電源工作時(shí)，輸出濾波電容(C2)上的脈動(dòng)電流通常很大。一般在固定負載情況下，通過(guò)C2的交流標稱(chēng)值IC2曉必須滿(mǎn)足下列條件：

IC2=(1.5～2) IR1

式中，IR1是輸出濾波電容C2上的脈動(dòng)電流。

設輸出端負載為純電阻性R1，那么，R1C2愈大，則C2放電愈慢，輸出波形愈平坦。也就是說(shuō)，在R1一定的情況下，C2愈大，輸出直流電壓愈平滑。

設計時(shí)應確保高頻變壓器有合理的結構，同時(shí)應保證其具有較低的直流損耗和交流損耗且漏感小，線(xiàn)圈本身的分布電容及各線(xiàn)圈之間的耦合電容也要足夠小。為達到上述目標，最主要的是要正確確定磁芯的形狀、尺寸、磁芯材料以及線(xiàn)圈的繞制方法等。

(1)降低高頻變壓器的直流損耗

交流損耗是由高頻電流的趨膚效應以及磁芯損耗引起的。趨膚效應會(huì )使導線(xiàn)的有效流通面積減小，并使導線(xiàn)的交流等效阻抗遠高于銅電阻。由于高頻電流對導線(xiàn)的穿透能力與開(kāi)關(guān)頻率的平方根成反比。為了減小交流銅損耗，其導線(xiàn)半徑不得超過(guò)高頻電流可達深度的兩倍。事實(shí)上，在根據開(kāi)關(guān)頻率確定導線(xiàn)直徑φ后，實(shí)際制作時(shí)應用比φ更細的導線(xiàn)多股并繞而不是用一根粗導線(xiàn)繞制。

(2)減小線(xiàn)圈的分布電容

在開(kāi)關(guān)電源的每個(gè)通、斷轉換期間，線(xiàn)圈分布電容將反復充、放電，這樣，其上的能量被吸收將使電源效率降低。此外，分布電容與線(xiàn)圈的分布電感也會(huì )構成LC振蕩回路，并產(chǎn)生振蕩噪聲。對于初級線(xiàn)圈的分布影響，可以采取如下措施來(lái)減小線(xiàn)圈的分布電容：一是盡量減小每匝導線(xiàn)的長(cháng)度;二是將初級線(xiàn)圈的始端接漏極;三是在初級線(xiàn)圈之間加絕緣層。

(3)減小漏感

因為漏感愈大，產(chǎn)生的尖峰電壓幅度愈高;而初級尖峰電壓幅度愈高，初級鉗位電路的損耗就愈大，從而將導致電源效率降低。所以，在設計高頻變壓器時(shí)，必須把漏感減至最小。對于低損耗的高頻變壓器，其漏感量應是開(kāi)路時(shí)初級電感量的減小漏感的措施有減小初級線(xiàn)圈的匝數、增大線(xiàn)圈的寬度、增加線(xiàn)圈尺寸的高度與寬度之比、減小線(xiàn)圈之間的絕緣層以及增加線(xiàn)圈之間的耦合程度等。