基于TOPSwitChⅡ的单端反激开关电源的建模及动态分析

TOPSwitch芯片单端反激式开关电源的工作原理以及设计方
法
张成;由永峰
【期刊名称】《杨凌职业技术学院学报》
【年(卷),期】2007(6)1
【摘要】TOPSwitch器件是一种新型单片开关电源芯片,它除了一般的PWM控制功能外,还集成了自动重启功能,过流、过热保护功能,大功率MOSFET等.本文介绍了TOPSwitch系列芯片的工作原理以及设计方法.使用它制作高频开关电源,具有成本低,电路简单,效率高等优点.
【总页数】3页(P51-53)
【作者】张成;由永峰
【作者单位】杨凌职业技术学校,陕西,杨凌,712100;杨凌职业技术学校,陕西,杨凌,712100
【正文语种】中文
【中图分类】TM56
【相关文献】
1.单端反激式开关电源在ToPswitch的组成 [J], 陈强;王群
2.ToPSwitch组成的单端反激式开关电源 [J], 张孟雨
3.ToPSwitch组成的单端反激式开关电源 [J], 张建廷
4.基于TOPSwitch及PIExpert的单端反激式开关电源设计 [J], 张钢;刘志刚;岳岱
巍;沈茂盛
5.用Topswitch芯片设计的反激式开关电源 [J], 赵皊
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采用TOPSwitch的单端正激式电源的电路分析与设计引言TOPSwitch是美国功率集成公司（PI）于20世纪90年代中期推出的新型高频开关电源芯片，是三端离线PWM开关（Three?terminalofflinePWMSwitch）的缩写。

它将开关电源中最重要的两个部分——PWM控制集成电路和功率开关管MOSFET集成在一块芯片上，构成PWM/MOSFET合二为一集成芯片，使外部电路简化，其工作频率高达100kHz，交流输入电压85～265V，AC/DC 转换效率高达90％。

对200W以下的开关电源，采用TOPSwitch作为主功率器件与其他电路相比，体积小、重量轻，自我保护功能齐全，从而降低了开关电源设计的复杂*，是一种简捷的SMPS （SwitchModePowerSupply）设计方案。

TOPSwitch系列可在降压型，升压型，正激式和反激式等变换电路中使用。

但是，在现有的参考文献以及PI公司提供的设计手册中，所介绍的都是用TOPSwitch制作单端反激式开关电源的设计方法。

反激式变换器一般有两种工作方式：完全能量转换（电感电流不连续）和不完全能量转换（电感电流连续）。

这两种工作方式的小信号传递函数是截然不同的，动态分析时要做不同的处理。

实际上当变换器输入电压在一个较大范围发生变化，和（或者）负载电流在较大范围内变化时，必然跨越两种工作方式，因此，常要求反激式变换器在完全能量和不完全能量转换方式下都能稳定工作。

但是，要求同一个电路能实现从一种工作方式转变为另一种工作方式，在设计上是较为困难的。

而且，作为单片开关电源的核心部件高频变压器的设计，由于反激式变换器中的变压器兼有储能、限流、隔离的作用，在设计上要比正激式变换器中的高频变压器困难，对于初学者来说很难掌握。

笔者采用TOP225Y设计了一种单端正激式开关电源电路，实验*该电路是切实可行的。

下面介绍其工作原理与设计方法，以供探讨。

1TOPSwitch系列应用于单端正激变换器中存在的问题TOPSwitch的交流输入电压范围为85～265V，最大电压应力≤700V，这个耐压值对于输入最大直流电压Vmax=265×1.4=371V 是足够的,但应用在一般的单端正激变换器中却存在问题。

基于TOPSwitch-Ⅱ的反激式恒流LED驱动电源杨家志;易胜利;蒋存波;杨斐;钟亚洲;杨帆【摘要】A reliable,efficient LED driver plays an important role in unleashing many advantages of LED,such as high efficiency, long life-time.A constant current fly-back LED driver based on TOP222 is designed, and the transformer of the constant current power supply and the constant current feedback circuit are deeply researched. The experiment shows that,the output current of the LED driver is 1 A,the output power is 10 W,the power supply works in constant voltage mode within the low load situation. The driver featured with good stability,constant-current characteristic,and high efficiency,is capable for driving LED.%发挥LED的高效率、长寿命等诸多优点需要可靠、高效率的LED驱动电源,而恒流LED驱动电源是未来发展的趋势。

基于TOP222设计了一款反激式恒流LED驱动电源,重点设计了恒流驱动电源的变压器和恒流反馈回路。

实验结果表明：该电源输出额定电流为1 A,额定功率为10 W,低负载情况下以恒压方式输出。

基于TOPSwitch的开关电源设计TOPSwitch是一种高性能开关电源集成电路，被广泛用于各种电子设备中。

本文将介绍基于TOPSwitch的开关电源设计。

开关电源是一种将交流电转换为直流电的设备，具有高转换效率、体积小、重量轻和稳定性好等优点。

而TOPSwitch是一个集成了开关管、调制器、电流检测和保护电路的芯片。

其独特的设计可以实现高效能、高可靠性、低成本和紧凑尺寸。

首先，在进行开关电源设计之前，我们需要明确设计的需求和目标。

比如输出电压、输出电流、效率要求、稳定性要求等。

这些因素会直接影响到电源设计的参数选择和电路设计。

其次，确定所需的输入电压范围和输出电压范围。

TOPSwitch支持宽输入电压范围，所以我们可以根据实际需求选择合适的输入电压范围。

接下来，选择合适的电感和电容。

电感和电容是开关电源中非常重要的元件，能够存储和释放能量。

在TOPSwitch设计中，电感的选择要根据输入和输出电压以及预期的输出电流来确定。

而电容的选择则需要考虑输入电压的纹波、输出电压的稳定性和输出电流的需求。

在电路设计方面，我们需要根据TOPSwitch的数据手册来设计输入滤波电路、整流电路、开关管控制电路、输出滤波电路等。

这些电路的设计需要考虑到输入和输出电压的稳定性、电流的保护，以及电流和电压的控制等。

在设计过程中，还需要注意热管理。

由于开关电源会产生一定的热量，所以我们需要设计散热器来散热，以确保电源的正常运行和使用寿命。

最后，我们需要对设计的开关电源进行测试和验证，以确保其满足设计要求和性能指标。

测试内容包括输入输出电压的稳定性、效率、温度、波形和电流等。

综上所述，基于TOPSwitch的开关电源设计需要综合考虑输入输出电压、电流、效率、稳定性和保护等因素，并按照数据手册的要求设计合适的电路和元件。

通过测试和验证，确保设计的开关电源满足设计要求和性能指标。

TOPSwitch的独特设计和高性能使其成为一种理想的选择，被广泛应用于各种电子设备中。

基于TOPswitchII的断续工作模式反激式开关电源设计第一篇：基于TOPswitch II的断续工作模式反激式开关电源设计基于TOPswitch II的断续工作模式反激式开关电源设计2009年09月17日作者：韩国良来源：《中国电源博览》编辑：樊晓琳摘要：TOPswitch II系列芯片是Power Integration 公司生产的开关电源专用集成电路，它将脉宽调制电路与高压开关管(MOSFET)及驱动电路等集成在一起，具备完善的保护功能。

使用该芯片设计的小功率开关电源，可大大减少外围电路，降低成本，提高可靠性。

本文介绍其内部结构和工作原理，给出基于该芯片的断续工作模式反激式开关电源的具体参数设计，并给出实验结果。

关键词：TOPswitch 反激变换器断续模式Abstract: TOPswitch II series integrated circuits are produced especially for switching power supply by Power Integration Company, which integrate PWM and high voltage MOSFET together, and have perfect protection function.The low power switching power supply with such integrated circuits has advantages such as simple outer circuits, lower cost and higher reliability.In this paper, the internal construction and principle of TOPswitch II are introduced, and the design procedure and the experimental result of the power supply with flyback topology in discontinuous current mode are illustrated.Keywords: TOPswitch;flyback;discontinuous current mode1.引言TOPswitch系列芯片是美国Power Integration公司于20世纪90年代中期推出的新型高频开关电源芯片。

基于 TOPSwitch-HX 的多路输出单片反激式开关电源设计潘冰;顾利华;陈亚伟【摘要】设计了基于TOPSwitchII系列芯片二次开发的开关电源专用集成电路。

并给出了反激式开关电源的电路设计，反馈环节设计、低压差线性集成稳压器设计及软件特性、硬件特性。

以采集仪为实例介绍了该电源在工业控制中的应用。

%Based on TOPSwitchII chips , a specialized integrated circuit for power supply is designed .Meanwhile the implementation of flyback switching power supply , feedback design ,low dropout linear integrated voltage reg-ulator and some examples of application in industry control are illustrated .【期刊名称】《兰州工业学院学报》【年(卷),期】2014(000)005【总页数】4页(P8-11)【关键词】多路输出;反激式;开关电源【作者】潘冰;顾利华;陈亚伟【作者单位】甘肃省膜科学技术研究院，甘肃兰州 730020;中国建筑科学研究院物理所，北京 100044;平凉亨达机械有限责任公司，甘肃平凉 744000【正文语种】中文【中图分类】TN702传统的线性稳压电源有着输出电压稳定度高，波纹电压小的优点，是一种极其可靠的电源.但其缺点是电源效率低，需要使用笨重庞大的工频变压器[1-2].TOPSwitch-II是美国PI公司推出的三端隔离，脉宽调制单片开关集成电路，无工频变压器，能完全实现电气隔离等特点[3-4].目前，已经开发制作成各种中、小功率开关电源及电源模块，广泛用于便携式仪器仪表，移动电话，数字视频机顶盒，笔记本电脑等领域.本文就此介绍了一种便携式采集仪稳压电源的设计方法，即TOPSwitchII系列芯片二次开发设计的开关电源专用集成电路.供各位电子设计工作者参考.本文设计的开关电源将作为采集仪的电源，最大功率为69 W.为了减少PCB的数量和采集仪的体积，要求电源尺寸尽量小并能将电源部分与仪器主控部分做在同一个PCB上.考虑到功率以及小体积的因素，电路选用多路输出单端反激电路.它的电路特点是：电路简单、体积小巧且成本低.本电源设计成表面贴装的模块电源，其具体参数要求详见表1所示.设计主要采用TOPSwitchII系列芯片为核心单元，该系列芯片是由美国功率集成公司(PI公司)专门针对AC/DC转换所研发生产的专用集成电路.它将开关电源所必需的具有电压型PWM控制器、高压N沟道功率MOS场效应管、100 kHz高频振荡器、高压启动偏置电路、基准电压、用于环路补偿的并联偏置调整器、误差放大器和故障保护功能块等全部集成在一起.同时，TOP SwitchII器件配套有许多标准设计的电路板.使应用设计更为方便，极大地缩短了产品开发周期，因此使用该芯片设计的多路输出单端反激式开关电源，具有电路结构简洁、成本低、且性能非常可靠等特点.而对于芯片的选择主要考虑输入电压和功率.由设计要求可知，输入电压为宽范围输入，输出功率不大于75 W，查TOPSwitchII芯片输出表，TOP222Y在宽幅电压下功率满足要求，故选取TOP222Y.低压差集成稳压器是近年来问世的高效率线性稳压集成电路.电源管理系统是由TOPSwitchII 多输出单片反激式开关电源和低压差线性集成稳压器两部分组成，如图1所示.3.1 采集仪电源设计原理开关电源原理图如图2所示.设计采用反激式主电路，由文献[5]可知，输入环节设计方面，由于公共电网存在各种形式的干扰，且大多都不易被察觉，为了滤除电网线之间的串模干扰，在交流电源的进线端设计一个电容C1(0.1 μF /250 V)，即“X电容”，同时将电容C5(2 200 μF /5 kV)接在高压和PE之间，用于滤除一次绕组、二次绕组耦合电容产生的共模干扰，即"Y电容".此外为了避免从电网线窜入的电击对器件造成损害，在进线端并联一个压敏电阻VSR(μ1mA /275 V)对电路进行保护.输出环节设计方面，+5 V输出功率相对较大，次级线圈上的高频电压先经过超快恢复二极管D7(UF5401型100 V/3 A)，后经过LC滤波器，由于D7在反向恢复过程中会产生开关噪声，因此滤波电感采用3.3 μH的穿心电感，可以有效地减少输出波纹电压和抑制噪声.对于+12 V和+24 V两路输出，只需要在输出端分别加上高频滤波电容C11和C12，即可有效的滤除干扰，输出纯净的直流电.而在输出端并联的R3和R4分别为假负载，作用是减低空载电压和轻载电压[6].3.2 采集仪电源反馈环节设计为了让电源在恒流和稳压状态下工作，在设计中使用光电耦合器PC817配合可控精密并联稳压器TL431构成反馈同路.利用输出电压和TL431构成的基准电压比较,通过光耦PC817的电流发射极送至TOP222Y的C极即控制极，从而改变PWM 宽度，达到稳定输出电压的目的.此处使用PC817A的目的是因为该款光耦合器的CRT(电流传输比)的范围较宽为80%～160%,同时CRT值能够做线性调整，虽然对比开关电源设计中常用到的非线性光耦合器4N25、4N26等价格略高，但使用寿命更长且较为稳定，更能够较好地满足反馈回路的设计要求[7-8].而设计电阻R5(10K)、R6(21K)的目的是利用分压获得基准电压值，通过调节阻值来调节输出电压的稳定值.反馈绕组的次级端采用硅高速开关管D4(1N4148)和电容C9并联，一方面对电压整流滤波，另一方面为PC817接收管的集电极供电，供电电压为+12 V.由于TOP222Y的控制极C极除了能利用控制电流IC的大小来调节占空比的作用外，还可以决定自动重启动的频率.因此在C极串联一个电容C3，它能够对控制回路进行补偿并设定自动重启频率，当C3=47 μF时，自动重启频率为1.2 Hz，即每隔0.83 s检测一次,调节失控故障是否已经被排除，倘若故障已排除，就自动重新启动电源恢复正常工作.3.3 低压差线性集成稳压器设计LDO是一种微功耗的低压差线性稳压器，它通常具有极低的自有噪声和较高的电源抑制比PSRR(Power Supply Rejection Ratio)[9].LDO是新一代的集成电路稳压器，它与三端稳压器最大的不同点在于，LDO是一个自耗很低的微型片上系统(SoC).它可用于电流主通道控制，芯片上集成了具有极低线上导通电阻的MOSFET，肖特基二极管、取样电阻和分压电阻等硬件电路，并具有过流保护、过温保护、精密基准源、差分放大器、延迟器等功能.PG是新一代LDO，具各输出状态自检、延迟安全供电功能，也可称之为Power Good，即“电源好或电源稳定”.为采集仪系统供电通过高频变压器的次级输出的5 V电压，经过低压差线性集成稳压器TP565023 之后，为IO驱动提供+3.3 V；存储器驱动提供+1.8 V；系统模块驱动提供+1.2 V；其他的驱动提供+5 V.通过高频变压器的次级输出的DC24V/DC12V电压，为外接传感器供电.图3为设计电源为以AM35X构建的采集仪各模块供电示意图.该开关电源的输人特性数据见表2，输入电压在U=85～245 V的宽范围内变化时，主回路输出U01=5 V、负载为65 Ω的电压调整率SV=±0.2%，输出纹波电压最大值约为67 mV；经过低压差线性集成稳压器 TP565023 之后，为IO驱动提供+3.3 V；存储器驱动提供+1.8 V；系统模块驱动提供+1.2 V；其他的驱动提供+5V电压.辅助回路输出U02=24 V、负载为250 Ω时的输出纹波电压最大值约为98 mV；辅助回路输出U03=12 V、负载为100 Ω时，输出纹波电压最大值约为84 mV.同时试验测得，UO1回路最大输出电流达到2 A，U02回路最大输出电流达到1.2 A，U03回路最大输出电流达到1.2 A，电源功率达到69 W，完全满足设计要求.文中对反激式开关电源的电路设计原理、设计方法进行了详细的介绍.通过实例说明了TOPSwitchII系列芯片二次开发设计的开关电源专用集成电路在便携式仪器仪表等设备中的应用，充分体现了TOPSwitchII系列芯片二次开发设计的方便、快捷、精准、实用的特点.【相关文献】[1]杨庆柏.热工过程控制仪表[M].北京：中国电力出版社，1998.[2]沙占友.新型单片开关电源设计与应用技术[M].北京：电子工业出版社，2004.[3]吕利明,肖建平,钟智勇,等.高频开关电源单端反激变压器的原理与设计方法[J].磁性材料及器件,2006(1):36-38.[4]潘腾,林明耀,李强.基于TOP224Y芯片的单端反激式开关电源[J].电力电子技术,2003,37(2):20-22.[5]张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计[M]．北京：电子工业出版社，2004.[6]刘树林,刘健,寇蕾,等.BuckDC/DC变换器的输出纹波电压分析及其应用[J].电工技术学报,2007,22(2):91-97.[7]杨庆柏.现场总线仪表[M].北京：国防工业出版社，2005.[8]郝晓剑,张连红.仪器电路设计与应用[M].北京：电子工业出版社,2007.[9]方宇,邢岩,赵修科.基于UC3842的单端反激式隔离开关稳压电源的设计[J].电子工程师,2002,28(2):48-49,55.。