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单片开关电源的快速设计法
[正文]:摘要：单片开关电源是国际上90年代才开始流行的新型开关电源芯片。
本文阐述其快速设计方法。
关键词：单片开关电源快速设计topswith ⅱthe way of quick design for single chip switching power supply abctract:three ends single chip switching power supply is new type switching power supply core which has been popular since 1990.this paper introduces quick design for single chip switching power supply.keywords:single chip switching power supply,quick design,topswith ⅱ 在设计开关电源时，首先面临的问题是如何选择合适的单片开关电源芯片，既能满足要求，又不因选型不当而造成资源的浪费。
然而，这并非易事。
原因之一是单片开关电源现已形成四大系列、近70种型号，即使采用同一种封装的不同型号，其输出功率也各不相同；原因之二是选择芯片时，不仅要知道设计的输出功率po，还必须预先确定开关电源的效率η和芯片的功率损耗pd，而后两个特征参数只有在设计安装好开关电源时才能测出来，在设计之前它们是未知的。
下面重点介绍利用topswitch－ii系列单片开关电源的功率损耗（pd）与电源效率（η）、输出功率（po）关系曲线，快速选择芯片的方法，可圆满解决上述难题。
在设计前，只要根据预期的输出功率和电源效率值，即可从曲线上查出最合适的单片开关电源型号及功率损耗值，这不仅简化了设计，还为选择散热器提η/％(uimin=85v)中图法分类号：tn86文献标识码：a文章编码：02192713(2000)0948805po/w
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图1宽范围输入且输出为5v时pd与η，po的关系曲线
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图2宽范围输入且输出为12v时pd与η，po的关系曲线
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图3固定输入且输出为5v时pd与η，po的关系曲线供了依据。
1topswitch－ii的pd与η、po关系曲线topswitch－ii系列的交流输入电压分宽范围输入（亦称通用输入），固定输入（也叫单一电压输入）两种情况。
二者的交流输入电压分别为ui=85v～265v，230v±15％。
1．1宽范围输入时pd与η，po的关系曲线top221～top227系列单片开关电源在宽范围输入（85v～265v）的条件下，当uo=＋5v或者＋12v时，pd与η、po的关系曲线分别如图1、图2所示。
这里假定交流输入电压最小值uimin=85v，最高η/％(uimin=85v)η/％(uimin=195v)交流输入电压uimax=265v。
图中的横坐标代表输出功率po，纵坐标表示电源效率η。
所画出的7条实线分别对应于top221～top227的电源效率，而15条虚线均为芯片功耗的等值线（下同）。
1．2固定输入时pd与η、po的关系曲线top221～top227系列在固定交流输入（230v±15％）条件下，当uo=＋5v或＋12v时，pd与η、po的关系曲线分别如图3、图4所示。
这两个曲线族对于208v、220v、240v也同样适用。
现假定uimin=195v,uimax=265v。
2正确选择topswitch－ii芯片的方法利用上述关系曲线迅速确定topswitch－ii芯片型号的设计程序如下：（1）首先确定哪一幅曲线图适用。
例如，当ui=85v～265v，uo=＋5v时，应选择图1。
而当ui=220v(即230v－230v×4.3％)，uo=＋12v时，就只能选图4；（2）然后在横坐标上找出欲设计的输出功率点位置（po）；（3）从输出功率点垂直向上移动，直到选中合适芯片所指的那条实曲线。
如不适用，可继续向上查找另一条实线；（4）再从等值线（虚线）上读出芯片的功耗pd。
进而还可求出芯片的结温（tj）以确定散热片的大小；（5）最后转入电路设计阶段，包括高频变压器设计，外围元器件参数的选择等。
下面将通过3个典型设计实例加以说明。
例1：设计输出为5v、300w的通用开关电源通用开关电源就意味着交流输入电压范围是85v～265v。
又因uo=＋5v，故必须查图1所示的曲线。
首先从横坐标上找到po=30w的输出功率点，然后垂直上移与top224的实线相交于一点，由纵坐标上查出该点的η=71.2％，最后从经过这点的那条等值线上查得pd=2.5w。
这表明，选择top224就能输出30w功率，并且预期的电源效率为71.2％,芯片功耗为2.5w。
若觉得η=71.2％的效率指标偏低，还可继续往上查找top225的实线。
同理，选择top225也能输出30w功率，而预期的电源效率将提高到75％，芯片功耗降至1.7w。
根据所得到的pd值，进而可完成散热片设计。
这是因为在设计前对所用芯片功耗做出的估计是完全可信的。
例2：设计交流固定输入230v±15％，输出为直流12v、30w开关电源。
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图4固定输入且输出为12v时pd与η，po的关系曲线η/％(uimin=195v)
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图5宽范围输入时k与uimin′的关系
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图6固定输入时k与uimin′的关系根据已知条件，从图4中可以查出，top223是最佳选择，此时po=30w，η=85.2％，pd=0.8w。
例3：计算topswitch－ii的结温这里讲的结温是指管芯温度tj。
假定已知从结到器件表面的热阻为rθa(它包括topswitch－ii管芯到外壳的热阻rθ1和外壳到散热片的热阻rθ2)、环境温度为ta。
再从相关曲线图中查出pd值，即可用下式求出芯片的结温：tj=pd·rθa＋ta(1)举例说明，top225的设计功耗为1.7w，rθa=20℃/w，ta=40℃，代入式（1）中得到tj=74℃。
设计时必须保证，在最高环境温度tam下，芯片结温tj低于100℃，才能使开关电源长期正常工作。
3根据输出功率比来修正等效输出功率等参数3．1修正方法如上所述，pd与η，po的关系曲线均对交流输入电压最小值作了限制。
图1和图2规定的uimin=85v，而图3与图4规定uimin=195v（即230v－230v×15％）。
若交流输入电压最小值不符合上述规定，就会直接影响芯片的正确选择。
此时须将实际的交流输入电压最小值uimin′所对应的输入功率po′，折算成uimin为规定值时的等效功率po，才能使用上述4图。
折算系数亦称输出功率比（po′/po）用k表示。
topswitch－ii在宽范围输入、固定输入两种情况下，k与u′min的特性曲线分别如图5、图6中的实线所示。
需要说明几点：（1）图5和图6的额定交流输入电压最小值uimin依次为85v，195v，图中的横坐标仅标出ui在低端的电压范围。
（2）当uimin′>uimin时k>1，即po′>po，这表明原来选中的芯片此时已具有更大的可用功率，必要时可选输出功率略低的芯片。
当uimin′
此 时 折 算 系 数 k="uor′" /uor<1。
图 5和 图 6中 的 虚 线 表 示 uor′ /uor与 uimin′ 的 特 性 曲 线 ， 利 用 它 可 以 修 正 初 级 感 应 电 压 值 。
现将对输出功率进行修正的工作程序归纳如下：（1）首先从图5、图6中选择适用的特性曲线，然后根据已知的uimin′值查出折算系数k。
（2）将po′折算成uimin为规定值时的等效功率po，有公式po=po′/k（2）（3）最后从图1～图4中选取适用的关系曲线，并根据po值查出合适的芯片型号以及η、pd参数值。
下面通过一个典型的实例来说明修正方法。
例4：设计12v，35w的通用开关电源已知uimin=85v，假定uimin′=90％×115v=103.5v。
从图5中查出k=1.15。
将po′=35w、k=1.15一并代入式（2）中，计算出po=30.4w。
再根据po值，从图2上查出最佳选择应是top224型芯片，此时η=81.6％，pd=2w。
若选top223，则η降至73.5％,pd增加到5w，显然不合适。
倘若选top225型，就会造成资源浪费，因为它比top224的价格要高一些，且适合输出40w～60w的更大功率。
3．2相关参数的修正及选择（1）修正初级电感量在使用topswitch－ii系列设计开关电源时，高频变压器以及相关元件参数的典型情况见表1，这些数值可做为初选值。
当uimin′
当k=1.15时，lp′=1.15×1475=1696μh。
表2光耦合器参数随uimin′的变化最低交流输入电压uimin(v)85195led的工作电流if（ma）3.55.0光敏三极管的发射极电流ie（ma）3.55.0（2）对其他参数的影响当uimin的规定值发生变化时，topswitch－ii的占空比亦随之改变，进而影响光耦合器中的led工作电流if、光敏三极管发射极电流ie也产生变化。
此时应根据表2对if、ie进行重新调整。
topswitch－ii独立于ui、po的电源参数值，见表3。
这些参数一般不受uimin变化的影响。
表3独立于ui、po的电源参数值独立参数典型值开关频率f(khz)100输入保护电路的箝位电压ub(v)200输出级肖特基整流二极管的正向压降uf(v)0.4初始偏置电压ufb(v)16（3）输入滤波电容的选择参数top221top222top223top224top225top226top227高频变压器初级电感lp(μh)86504400220014751100880740高频变压器初级泄漏电感lpo(μh)175904530221815次级开路时高频变压器的谐振频率fo(khz)400450500550600650700初级线圈电阻rp（mω）50001800650350250175140次级线圈电阻rs（mω）20127543.53输出滤波电感的直流电阻rl1（mω）40322520161310共模扼流圈的直流电阻rl2（mω）400370333300267233200
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