單片開關(guān)電源的工作原理及效率研究(Topswitch系列芯片)

本文通過分析單片開關(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(shè)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(jié)論可用于指導(dǎo)高效單片開關(guān)電源的設(shè)計。
近20多年來，集成開關(guān)電源一直在沿著兩個方向不斷發(fā)展。第一是對開關(guān)電源的核心單元——控制電路實現(xiàn)集成化。第二個方向則是對中、小功率開關(guān)電源實現(xiàn)單片集成化。單片開關(guān)電源集成電路具有高集成度、高性價比、最簡單的外圍電路、最佳的性能指標、能構(gòu)成高效率無工頻變壓器的隔離式開關(guān)電源等優(yōu)點。目前已成為國際上開發(fā)中、小功率開關(guān)電源、精密開關(guān)電源、特種開關(guān)電源及電源模塊的優(yōu)選集成電路。目前，單片開關(guān)電源已形成了幾十個系列、數(shù)百種產(chǎn)品。然而開關(guān)效率始終是一個眾人關(guān)注的問題。本文就此問題提出了一點自己的看法。 1 Topswitch芯片在開關(guān)電源中的應(yīng)用70年代以來，電源產(chǎn)品掀起了一波高頻化、小型化、模塊化的浪潮。從而有力地促進了單片開關(guān)電源的發(fā)展。對于200W以下的開關(guān)電源，與其他電路相比，應(yīng)用Topswitch系列器件的電路相對簡捷，體積小，重量輕，自保護功能齊全，設(shè)計方便。另外，TOPSwitch器件不必另設(shè)散熱器，也節(jié)省了成本。其內(nèi)部的PWM控制器和MOSFET功率開關(guān)管是在管殼內(nèi)連接的，連線極短，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的瞬變要求。

TOPSwitch-Ⅱ是TOPSwitch的改進型號，與第一代產(chǎn)品相比，該器件在性能上有了很大改進。它將單電壓輸入時的最大功率從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(shè)計提供了一種高效率開關(guān)電源的設(shè)計方案，因而是具有偏置和自保護、電流線性占空比的變換器，該器件采用漏極開路輸出。

第三代TOPSwitch-FX系列是一種五端單片開關(guān)電源集成電路，它采用了“跳過周期”等新技術(shù)。如果開關(guān)電源的負載非常輕，以至于開關(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負載功耗時，TOPSwitch—FX就采用跳過周期的工作方式來進一步降低輸出功率，同時提高輕載時電壓的穩(wěn)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(diào)制(PFM)方式調(diào)節(jié)輕載時的U0值。這樣，根據(jù)負載的變化情況，開關(guān)電源能在正常工作和跳過周期方式之間自動轉(zhuǎn)換，而無須其它控制。如不需要跳過周期，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相同的拓撲電路來將高壓功率MOS-FET、脈寬調(diào)制(PWM)控制器、故障自動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，同時也拓展了TOP-Switch系列的功率范圍，將單電壓輸入時的最大功率提高到250 W。此外，它還集成了多項新功能，因此有效地降低了系統(tǒng)成本，提高了設(shè)計的靈活性、以及功能和效能。

2 影響單片開關(guān)電源效率的主要因素

TOPSwitch系列芯片作為單片開關(guān)電源的一部分，對電源效率有著一定的影響。圖1所示是以ST204A型單片開關(guān)電源模塊的內(nèi)部電路。實際上，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(gòu)成的整流橋(BR)的標稱電源電流IN應(yīng)大于在輸入電壓為最小值(Umin)時的初級有效電流，功率因數(shù)應(yīng)取0.6～0.8之間，其具體數(shù)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，每瓦輸出功率所對應(yīng)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所示的單片開關(guān)電源模塊電路中，輸入鉗位保護電路由VDZ和VD1構(gòu)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(fù)二極管。

(4)交流輸入端電磁干擾濾波器(EMI)

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

(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(shù)的熱敏電阻(NTC)。選擇該電阻時應(yīng)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(fù)整流管的反向恢復(fù)損耗;二是將開關(guān)電源設(shè)計成連續(xù)工作模式，以減小次級的有效值電流和峰值電流。輸出整流管的標稱電流應(yīng)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，輸出濾波電容(C2)上的脈動電流通常很大。一般在固定負載情況下，通過C2的交流標稱值IC2曉必須滿足下列條件：

IC2=(1.5～2) IR1

式中，IR1是輸出濾波電容C2上的脈動電流。

設(shè)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，在R1一定的情況下，C2愈大，輸出直流電壓愈平滑。

設(shè)計時應(yīng)確保高頻變壓器有合理的結(jié)構(gòu)，同時應(yīng)保證其具有較低的直流損耗和交流損耗且漏感小，線圈本身的分布電容及各線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(yīng)以及磁芯損耗引起的。趨膚效應(yīng)會使導(dǎo)線的有效流通面積減小，并使導(dǎo)線的交流等效阻抗遠高于銅電阻。由于高頻電流對導(dǎo)線的穿透能力與開關(guān)頻率的平方根成反比。為了減小交流銅損耗，其導(dǎo)線半徑不得超過高頻電流可達深度的兩倍。事實上，在根據(jù)開關(guān)頻率確定導(dǎo)線直徑φ后，實際制作時應(yīng)用比φ更細的導(dǎo)線多股并繞而不是用一根粗導(dǎo)線繞制。

(2)減小線圈的分布電容

在開關(guān)電源的每個通、斷轉(zhuǎn)換期間，線圈分布電容將反復(fù)充、放電，這樣，其上的能量被吸收將使電源效率降低。此外，分布電容與線圈的分布電感也會構(gòu)成LC振蕩回路，并產(chǎn)生振蕩噪聲。對于初級線圈的分布影響，可以采取如下措施來減小線圈的分布電容：一是盡量減小每匝導(dǎo)線的長度;二是將初級線圈的始端接漏極;三是在初級線圈之間加絕緣層。

(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(dǎo)致電源效率降低。所以，在設(shè)計高頻變壓器時，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(yīng)是開路時初級電感量的減小漏感的措施有減小初級線圈的匝數(shù)、增大線圈的寬度、增加線圈尺寸的高度與寬度之比、減小線圈之間的絕緣層以及增加線圈之間的耦合程度等。