作者：李長兵，陳林康，曾建安

在三相逆變器用開關電源中，電源的工作方式有兩種，一種是應用工頻變壓器供電，另一種是應用開關穩壓電源供電。隨著微電子和電力電子技術的發展，它們都毫無例外地使用開關電源。開關電源具有重量輕、體積小、效率高、穩壓范圍寬等優點，正朝著短、小、輕、薄、單片集成化、智能化的方向發展。美國PowerIntegrations公司在2001年初開發的單片開關電源集成芯片TOP247Y屬于該公司第四代單片開關電源集成電路TOPSwitch－GX系列。該系列產品除具備TOPSwitch－FX系列的全部優點之外，還將最大輸出功率從75W擴展到250W，適合構成大、中功率的高效率、隔離式開關電源。它的開關頻率高達132kHz，這有助于減小高頻變壓器及整個開關電源的體積。本文介紹了一種基于TOP247Y的多路開關穩壓電源，其結構簡單、成本低廉、制作調試方便，基本上能達到所要求的條件。

TOPSwitch－GX系列芯片工作原理

圖1給出了TOP247Y芯片內部結構圖，共有6個引出端，它們分別是控制端C、線路檢測端L、極限電流設定端X、源極S、開關頻率選擇端F和漏極D。利用線路檢測端（L）可實現4種功能：過壓（OV）保護；欠壓（UV）保護；電壓前饋（當電網電壓過低時用來降低最大占空比）；遠程通／斷（ON／OFF）和同步。而利用極限電流設定端，可從外部設定芯片的極限電流。在每個開關周期內都要檢測功率MOSFET漏源極導通電阻Ros（on）上的漏極峰值電流ID（PK），當ID（PK）＞ILIMIT時，過電流比較器就輸出高電平，依次經過觸發器、主控門和驅動級，將MOSFET關斷，起到過電流保護作用。

電源啟動時，連接在漏極和源極之間的內部高壓電流源向控制極充電，在RE兩端產生壓降，經RC濾波后，輸入到PWM比較器的同相端，與振蕩器產生的鋸齒波電壓相比較，產生脈寬調制信號并驅動MOSFET管，因而可通過控制極外接的電容充電過程來實現電路的軟啟動。當控制極電壓Uc達到5.8V時，內部高壓電流源關閉，此時由反饋控制電流向Uc供電。在正常工作階段，由外界電路構成電壓負反饋控制環，調節輸出級MOSFET的占空比以實現穩壓。當輸出電壓升高時，Uc升高，采樣電阻RE上的誤差電壓亦升高。而在與鋸齒波比較后，將使輸出電壓的占空比減小，從而使開關電源的電壓減小。當控制極電壓低于4.8V時，MOSFET管關閉，控制電路處于小電流等待狀態，內部高壓電流源重新接通并向Uc充電，其關斷/自動復位滯回比較器可使Uc保持在4.8～5.8V之間。當開關電源的負載很輕時，能自動將開關頻率從132kHz降低到30kHz（半頻模式下則由66kHz降至15kHz），可降低開關損耗，進一步提高電源效率。

多路輸出的開關電源設計

由TOP247Y構成的多路開關電源原理圖見圖2，其中輸出三路200mA、15V的直流電，一路400mA、15V的直流電，以及1A、5V的直流電。多路電源用高頻變壓器獲得多組電壓輸出，經快速恢復二極管、電容濾波后得到多路直流電源。

當電源輸入交流85～265V時，交流電壓U依次經過電磁干擾（EMI）濾波器（C1，L1）、輸入整流濾波器（KBL406G，C2）獲得直流高壓UI。UI經過R1接L端，能使極限電流隨UI升高而降低。它使用C3，VD型漏極鉗位二極管P6KE200A和阻斷二極管D1，以替代價格較高的TVS（瞬態電壓抑制器），用于吸收在TOP247Y關斷時由高頻變壓器漏感產生的尖峰電壓，對漏極起到保護作用。次級電壓經過整流、濾波后獲得多路輸出。其中15V電源輸出所用的是快速恢復二極管，其他輸出用的二極管是肖特基二極管，其目的是減少整流管的損耗。

由TOP247Y構成的多路開關電源原理圖

該電源采用3枚芯片，包括TOP247Y（U1）、光耦合器LTV817A，以及可調式精密并聯穩壓管LM431。為減小高頻變壓器體積和增強磁場耦合程度，次級繞組采用了堆疊式繞法。其穩壓原理為，U=UR4+UZ+ULM431。當U發生變化時，如U增加時，流過光耦的電流增大，光耦輸出的電流隨著增大，流經TOP247Y控制端的電流增加，而占空比則減小，從而U下降，這樣達到穩壓的目的，反之U減小時也有相同的原理。

可調精密穩壓管LM431的內部參考電壓為2.495V，輸出電壓經電位器和R7分壓，可調電壓在2.5V（基準值）至37V（最大值）之間。R6和C18構成LM431的頻率補償網絡。C19為軟啟動電容。除5V電壓外，其余各路輸出未加反饋，輸出電壓均由高頻變壓器的匝數比來確定。R9～R12是15V輸出的假負載，它能降低該路的空載及輕載電壓。

另外，為了盡可能減少電磁干擾，在開關電源的輸入側接入共模扼流圈，可以明顯改善電磁噪聲。而安全電容C6能濾除一次、二次繞組耦合電容產生的共模干擾，電容C1可濾除電網線之間的串模干擾。

高頻變壓器的設計

該開關電源是一個具有多路輸出的直流電源，由高頻變壓器N個二次繞組經整流濾波后獲得。因此開關電源的性能在很大程度上決定于變壓器的設計。

● 功率計算

高頻變壓器的二次繞組有三路15V完全相同的直流輸出，另一路15V電壓的電流為400mA，5V電壓提供給其他的芯片，再加上反饋繞組，故由以上設定條件可知，高頻變壓器的輸出功率為：

P0=15×0.2×3＋15×1×0.4＋5×1＝20W

考慮反饋繞組和裕量，實際選用功率為25W。

● 磁芯的選用

根據參考文獻給出的輸出功率與磁芯尺寸的關系，本開關電源選用EI-33磁芯，其額定輸出頻率為25kHz、50kHz和100kHz三種，可以選擇其中的一種，磁芯有效截面積Ae＝119.3，Le=67.6，Ve=8067.4。

● 繞組匝數的計算

由開關電源設計的特點，在確定功率開關元件MOS管的工作頻率時，若工作頻率較低，則噪聲較大；若工作頻率較高，開關損耗將增大，但可使變壓器、電容等小型化。因此在確定開關頻率時要折衷考慮。設定工作頻率為25kHz，ρ＝0.5，η＝0.94。ρ為PWM調制的占空比，η為變壓器的效率。

則原邊電感量Lp為：

其中，P0為輸出功率，η為變壓器的效率，Z為損耗分配因數（通常令Z=0.5），fs為開關頻率。 變壓器一次繞組電流：

變壓器匝數比：

變壓器二次繞組匝數：

實取N=9（匝）。一次繞組匝數：

5V直流輸出側的繞組匝數：

使用TOP247Y的注意事項

● 輸入濾波電容C2的負極直接連反饋繞組，以便將反饋繞組上的浪涌電流直接返回到輸入濾波電容，以提高抑制浪涌干擾的能力。

● TOP247Y控制端附近的電容應盡可能靠近源極和控制端的引端。S極與C、L、X端過通過一條獨立的支路相連，不可共享一條支路。

● S、L、X端的引線與外圍相關元件的距離也要盡可能短，并且遠離漏極的支路要防止產生噪聲耦合。

● 線路檢測電阻R1應盡可能接近于L引腳。

結束語

綜上所述，采用TOPSwitch-GX系列芯片設計的低功率開關電源，電路結構簡單，效率高，成本低。經實驗測定，輸出電壓調整率、負載調整率均在設定范圍內，實驗結果證明該開關電源是可靠的。

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