新型開(kāi)關(guān)芯片TOp224p在開(kāi)關(guān)電源中的應(yīng)用

摘要：本文介紹了第二代TOp開(kāi)關(guān)芯片TOp224p的工作原理及功能特點(diǎn)，并敘述了其在雙路輸出開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：整流濾波占空比

1引言

美國(guó)TOpSWitch公司生產(chǎn)的第一代TOp開(kāi)關(guān)芯片在開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)中已得到了廣泛應(yīng)用。目前，該公司又最新推出了第二代開(kāi)關(guān)芯片TOpSWitch-Ⅱ系列，與第一代TOp開(kāi)關(guān)相比，性能有很大提高，AD/DC效率高達(dá)90%，并具有輸出功率范圍大，成本低，集成化程度高，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。芯片內(nèi)的許多電路都作了改進(jìn)，使開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)更加容易。本文應(yīng)用的TOp224p是TOpSWitch-Ⅱ系列中的芯片。

2TOp224p芯片簡(jiǎn)介

2.1管腳介紹

該芯片由漏極端、控制端、源極端三個(gè)管腳組成。

漏極端(DRAIN腳)與輸出MOSFET漏極連接。啟動(dòng)時(shí)，提供內(nèi)部偏置電流，控制端(CONTROL腳)控制輸出占空比，是誤差放大器和反饋電流的輸入端。正常工作時(shí)，由內(nèi)部并聯(lián)穩(wěn)壓器提供內(nèi)部偏置電流，也可以作電流旁路和自動(dòng)啟動(dòng)/補(bǔ)償電路電容的接點(diǎn)，源極端(SOURCE腳)和輸出MOSFET的源極連接，也是開(kāi)關(guān)電源初級(jí)電路的公共點(diǎn)和參考點(diǎn)。

2.2芯片內(nèi)部工作原理介紹

芯片內(nèi)部工作原理框圖如圖1所示。該芯片由MOSFET.pWM控制器、高壓?jiǎn)?dòng)電路環(huán)路補(bǔ)償和故障保護(hù)電路等部分組成。具體工作過(guò)程如下：在控制端環(huán)路振蕩電路的控制下，漏極端有電流輸入芯片提供開(kāi)環(huán)輸入，該輸入通過(guò)并聯(lián)穩(wěn)壓運(yùn)放誤差放大器時(shí)，由控制端進(jìn)行閉環(huán)調(diào)整，改變IFB，經(jīng)pWM控制MOSFET的輸出占空比，最后達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。

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圖1芯片內(nèi)部工作原理框圖

2.3芯片功能特點(diǎn)介紹

TOp224p是一個(gè)自編置、自保護(hù)的電流--占空比線(xiàn)性控制轉(zhuǎn)換器。由于采用CMOS工藝，轉(zhuǎn)換效率與采用雙集成電路和分立元件相比，偏置電流大大減少，省去了用于電流傳導(dǎo)和提供啟動(dòng)偏置電流的外接電阻。在正常工作時(shí)，內(nèi)部MOSFET輸出脈沖的占空比隨著CONTROL腳電流的增加而線(xiàn)性減少。

TOp224p通過(guò)高壓電流源的接通和斷開(kāi)，使控制電壓VC保持在4.7-5.7V之間。芯片內(nèi)部電壓都取自具有溫度補(bǔ)償?shù)膸痘鶞?zhǔn)電壓，能產(chǎn)生可微調(diào)的溫度補(bǔ)償電流源，用來(lái)精確地調(diào)節(jié)振蕩的頻率和MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)電流。振蕩器額定頻率選為100KHz，可降低EMI，提高電源的效率。柵極驅(qū)動(dòng)電流可逐周限流微調(diào)，從而提高精度。

此外，該芯片還有關(guān)斷/自動(dòng)重新啟動(dòng)、過(guò)熱保護(hù)等自身保護(hù)功能。

3TOp224p在雙路輸出開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3.1開(kāi)關(guān)電源電路及工作原理

以+5V、+12V、20W雙路輸出開(kāi)關(guān)電源為例，電路圖如圖2所示。

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圖220W雙路輸出開(kāi)關(guān)電源電路圖

交流電源電壓經(jīng)BR1整流和C1濾波后，產(chǎn)生高壓直流電壓加至變壓器T1和初級(jí)線(xiàn)圈一端，變壓器初級(jí)線(xiàn)圈另一端接TOp224p。用VR1和D1來(lái)箝位變壓器漏電感引腳的脈沖前沿尖峰。通過(guò)D3、C9、L3、C10整流濾波，再由7812穩(wěn)壓塊進(jìn)行穩(wěn)壓后，直接得到+12V輸出電壓。變壓器次級(jí)線(xiàn)圈通過(guò)D2、C2、L1、C3整流濾波后，產(chǎn)生+5V直流輸出電壓。R2、VR2組成一穩(wěn)壓電路，提高負(fù)載調(diào)整能力。次級(jí)線(xiàn)圈T1-4兩端電壓經(jīng)D4、C4整流濾波，提供TOp224p所需的偏置電壓。L2、G、C8可以減弱由變壓器原端線(xiàn)圈和原端到副端等效容性阻抗產(chǎn)生的高壓開(kāi)關(guān)波形引起的共模電流。L2、C6組成電磁干擾濾波器，減弱由變壓器原端梯形電流的基波和高次諧波干擾產(chǎn)生的差模電流。C5、R3與控制端阻抗ZC設(shè)置自啟動(dòng)周期。

3.2開(kāi)關(guān)電源電路主要元件選擇

1)開(kāi)關(guān)芯片的選擇

TOpSwitceh-Ⅱ系列芯片的選擇參考表，如表1所示。

根據(jù)輸出功率的要求應(yīng)選擇TOp223p或TOp224p，現(xiàn)選擇TOp224p。

2)高壓變壓器的選擇

變壓器原端線(xiàn)圈T1-1電感量依照輸出功率選擇，20W輸出功率、50%占空比時(shí)，Lmax=630μH，

對(duì)于+5V輸出電壓的副線(xiàn)圈T1-3和原端線(xiàn)圈T1-1的匝數(shù)比：

其中Vmax=200V(VR1的穩(wěn)壓值的200V)，V0=+5V,Dmax=50%，故線(xiàn)圈匝數(shù)比為40。

副端線(xiàn)圈T1-4的匝數(shù)和線(xiàn)徑與副線(xiàn)圈T1-3一致。

對(duì)于+12V輸出電壓的副線(xiàn)圈T1-2，其線(xiàn)徑與T1-3一致，匝數(shù)和T1-1匝數(shù)比：

其中V0應(yīng)比+12V至少大2V。

3)VR1的選擇

VR1要有足夠的功率，在大電流輸出的條件下，VR1的峰值電壓應(yīng)比反向輸出電壓高30V-80V，這里選擇p6KE200，峰值電壓為287V。

4)其它重要元件的選擇

5)自啟動(dòng)周期的選擇

自啟動(dòng)周期的計(jì)算公式：

T=8×(2πRC)=16π(R3+Zc)C5，其中，典型值Zc=15，芯片控制振蕩頻率f=100KHz，故R3=6.2,C5=47μF。

4開(kāi)關(guān)電源輸出紋波的抑制

開(kāi)關(guān)電源存在輸出紋波大，電磁干擾強(qiáng)等不足，嚴(yán)重影響了開(kāi)關(guān)電源的廣泛應(yīng)用。在圖2電路中，C9、L3，C10和C2、L1、C3分別用來(lái)抑制來(lái)自超高頻和高頻噪聲；U2，TOp224p組成有源低頻濾波器，用來(lái)抑制輸出交流噪聲；C7、C8組成共模干擾濾波器，用來(lái)抑制寄生參數(shù)的共模噪聲。在三種濾波器的共同作用下，使開(kāi)關(guān)電源的輸出紋波由原來(lái)的340mV降為30mV，進(jìn)一步擴(kuò)大了開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用。

5結(jié)束語(yǔ)

本文應(yīng)用TOp224p設(shè)計(jì)了雙路輸出開(kāi)關(guān)電源，該電源不僅具有效率高，輸出電壓紋波小，帶負(fù)載能力強(qiáng)、成本低、設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，而且還具有溫度補(bǔ)償、逐周限流、過(guò)熱保護(hù)、自動(dòng)重新啟動(dòng)等功能。該開(kāi)關(guān)電源已在GDJ-100型稱(chēng)重控制器中得到應(yīng)用，電源工作穩(wěn)定，可靠性強(qiáng)，具有實(shí)用和推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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