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单片开关电源的快速设计法

导读: 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。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。

  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,还为选择散热器提供了依据。

  η/%(Uimin=85V)

 

  

  图1宽范围输入且输出为5V时PD与η,PO的关系曲线

  

  图2宽范围输入且输出为12V时PD与η,PO的关系曲线

  

  图3固定输入且输出为5V时PD与η,PO的关系曲线

 

  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。

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