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TOPSwitch Ⅱ在稳压电源中的应用

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TOPSwitch Ⅱ在开关电源中的应用 丁文熙

1 概述 TOPSwitchII单片开关电源是美国PI (Power Integration ) 公司于1997年推出的高频开关电源芯片，可广泛用于仪器仪表、笔记本电脑、VCD和DVD、电池充电器、功率放大器等领域，用它构成的开关电源具有重量轻、体积小、效率高、稳压范围宽等优点，在电子电气、控制、计算机等许多领域的电子设备中得到了广泛的使用。它将开关电源所必需的具有高压N沟道功率MOS场效应管、电压型PWM控制器、100kHz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了。本文介绍一种用TOP222Y制作的多组电源输出的开关稳压电源。 2 TOPSwitch系列芯片工作原理 图1为TOPSwitch芯片的内部结构图，TOPSwitch -II的三个管脚分别为控制端C、源极S、漏极D。

图1 TOPSwitch芯片的内部结构图

电源启动时，连接在漏极和源极之间的内部高压电流源向控制极充电，在RFB两端产生压降，经RACA

滤波后，输入到PWM比较器的同相端，与振荡器产生的锯齿波电压相比较，产生脉宽调制信号并驱

动MOSFET管，因而可通过控制极外接的电容充电过程来实现电路的软启动。当控制极电压Uc达到5.7V时，内部高压电流源关闭，此时由反馈控制电流向Uc供电。在正常工作阶段，由外界电路构成电流负反馈控制环，调节输出级MOSFET的占空比以实现稳压。当流入控制端电流升高时，采样电阻RFB上的误差电压亦升高。而在与锯齿波比较后，将使输出电压的占空比减小，从而使开关电源的电压减小。当控制极电压低于4.7V时，MOSFET管关闭，控制电路处于小电流等待状态，内部高压电流源重新接通并向Uc充电，其关断/自动复位滞回比较器可使Uc保持在4.7V~5.7V之间。自动重启电路具有一个八分频计数器，可以阻止输出级MOSFET再次导通，直到八个放电--充电周期完成为止。因此，在自动重启期间，占空比控制在５%左右可有效地限制芯片的功耗。自动重启动电路一直工作到Uc进入受控状态为止。

3 开关电源工作原理

该电源电路拓扑为单端反激式，反激式则是指当功率开关管M0SFET导通时，就将电能储存在高频变压器的初级线圈上；当M0SFET关断时，向次级输出电能。由于开关频率高达100KHz，使得高频变

压器能够快速储存、释放能量，经高频整流滤波后即可获得连续输出。电路原理见图2所示。220V交流进线端接入电磁滤波器（EMI），为了减少体积和降低成本，单片开关电源一般采用简易式单级滤波器。L1用来滤除共模干扰,C1、C2用来滤除串模干扰。电源滤波器的作用：一方面是滤除由电网传来的杂波电压，净化输入电源，另一方面也阻止高频开关电源的振荡电压窜入电网，干扰其它电器。市电经整流和电容滤波后，变成308V的直流电压供给TOP222Y器件，TOP222Y构成DC/DC变换器，它将输入的直流高压变成脉宽可调的高频脉冲电压，经高频变压器降压后再进行半波整流和滤波，变成所需要的直流电压输出。阻塞二极管D6与瞬态电压抑制器D5组成吸收电路，吸收功率器件在关断过程中由于变压器漏感产生的尖峰电压，当TOP222Y功率管导通时初极变压器的电压极性为上端为正，下端为负，使D6截止，钳位电路不起作用。在MOSFET截止的瞬间，初极变压器变成下端为正，上端为负，此时D6导通，尖峰电压就被D5吸收掉。高频变压器的次级有5个绕组，其中的13.2V/300mA绕组V1为主绕组控制TOP222Y器件的脉宽，即这一组输出电压为PWM稳压，由并联可编程稳压器TL431和光电耦合器PC817及分压电阻R4、R5完成取样反馈工作。当输出V1电压升高时经R4、R5分压后得到取样电压与TL431中的带隙基准电压进行比较，使TL431阴极电位下降，使流过光电二极管工作电流If增大,再通过光耦PC817使控制端电流Ic增大，TOP222Y的输出占空比减小，使V1电压下降。达到稳压的目的。电阻R3为V1输出的最小负载，用于提高轻载时的电压调整率。当输出电压偏低时， R3的作用是：给431提供电流偏执通路。为避免刚接通电源时输出电压产生过冲现象，TL431的阴极与阳极之间并联一只软启动电容C12。其作用分析如下：刚上电时由于C12两端的压降不能突变，使得VKA=0，TL431 不工作。随着整流滤波器的输出电压逐渐升高，光耦二极管（LED）上的电流就通过R2对C12充电，使C12上的电压不断升高，TL431逐渐转入正常工作状态。输出电压在延迟时间内缓慢上升，最终达到13.2V稳定值。如何确定R2、R3、R4及R5的值。首先要搞清TOP管的控制特性。从TOPSwicth的技术手册可知流入控制脚C的电流Ic与占空比D成反比关系。如图3所示。可以看出，

Ic的电流应在2－6mA之间，PWM会线性变化，因此PC817三极管的电流Ice也应在这个范围变化。而Ice是受二极管电流If控制的，R1的取值要保证TOP控制端取得所需要的电流，假设用PC817，其CTR=Ic/If=0.8~1.6,从TL431的技术参数知，Vka在2.5V－36V变化时，Ika可以在从1mA到100mA 以内很大范围里变化。当光偶CTR取低限0.8时，此进流过光二极管的最大电流, Ifmax=6/0.8=7.5mA TL431阴极电压Vk=Vo-Vf-(Ifmax×R2)>2.5V其中Vf为光偶二极管的正向压降。Vf典型值为1.2V。 Vｋ＝13.2－1.2－7.5×R2>2.5V R2<1.3k (取R2=250Ω) 431要求至少有1mA的工作电流，也就是R2的电流接近于零时，也要保证431有1mA，所以 R3<=1.2V/1mA=1.2K(取R3=510Ω即可)。 R5的取值，R5的值不是任意取的，要考虑两个因素：1）431参考输入端的电流，一般此电流为2uA左右，为了避免此端电流影响分压比和避免噪音的影响，一般取流过电阻R5的电流为参考段电流的100倍以上，所以此电阻要小于2.5V/200uA=12.5K. 2)待机功耗的要求，如有此要求，在满足 R5<=12.5K的情况下尽量取大值。取R5＝10KΩ 确定了上面几个关系后，那R4电阻的值就好确定了。根据TL431的性能，R4、R5、Vo、Vr有固定的关系：Vo=(1+ R4/R5) Vr (Vr=2.5V) 13.2=(1+R4/10)×2.5 R4=43 KΩ 4 开关电源的电路设计 1） 选择TOPSwitch芯片的型号 2） 为了使芯片能稳定运行，另外还需要在考虑一定的设计余量（一般取10％以上）。TO-220(Y)封装的TOPSwitch－II系列芯片的负载能力如表1所示，根据计算出的功率值，选择相应的芯片。 TOPSwitch－II器件型号的选择 本电源总输出功率为各组输出功率之和： PO=13.2×0.3＋13.2×0.2＋28×0.05+2×13.2×0.1+12×0.006=10.71W(反馈绕组功率为12×0.006) 若电源总的效率为80％，则电源输入的总功率应为： Pi=PO/80％=10.71/0.8=13.4W 从表1可以看出，在宽范围输入电压条件下，TOP222Y的最大输出功率为15W，能够满足本电路 要求。

3) 根据输入交流电压确定最小直流电压、最大直流电压 假定交流输入电压的范围是85V～265V,输入整流桥响应时间为tc=3mS,输入滤波电容C3取22uf, 则

302

)21(22CtfPVVclACMINMIN×−×××

−×=η=63210228.0)1035021(71.102852−−×××−×××−×=77

VMAX=3752652=×

对于宽范围电压输入，输入电容选取（2~3）P0 单位uF

由公式可看出输入电容的取值，可以決定电容器上的VMIN，输入电容越大，VMIN越高，可以做较大瓦数的电源，当输入电容取33uF时(推存值)，VMIN＝94伏。因手头无33uF/400v电容，就取22uF/400v

4) 确定最大占空比

反激电源的最大占空比出现在最低输入电压、最大输出功率的状态，根据在稳态下，变压器的磁平衡，可以有下式： )1()(MAXORMAXDSMINDVDVV−×=×−

VOR Dmax= ×100％ VOR+VImin－VDS(ON)

ORV为一次绕组感应电压即反激电压

若将ORV取100V TOP漏－源电压UDS=10V 则可算出DMAX=0.6

反激电压VOR的选取不是任意的。对于宽范围电压输入一般取95V~135V，VOR对电源的效率有很

大的影响，VOR太高，会增加钳位保护电路的功耗，VOR太低，会降低输出功率。 5) 计算初级电流有效值及峰值 单端反激式变换器初级工作方式分为两种：连续模式和继续模式其初级绕组电流波形如下：

Ip2Ip1Ip2

I连续模式断续模式

KRP=2PRII=212PPPIII− KRP为电流脉动系数，利用KRP的数值可以定量地描述开关电源的工作模式，

0.4模式和相对较大的初级电感量，并且初级电流的峰值及有效值较小，因此可用功率较小的TOPSwitch芯片。 设在最大占空比时，当开关管开通时，原边电流为Ip1，当开关管关断时，原边电流上升到Ip2。若Ip1为0，则说明变换器工作于断续模式，否则工作于连续模式。由能量守恒，我们有下式： 1/2•(Ip1+Ip2)•DMAX•VMIN=Pi 为了提高效率，降低功率损耗,减小集肤效应，我们采用连续工作模式：我们令Ip2=2Ip1这样就可以求出变换器的原边峰值电流IP2 (0.5IP2+IP2)×0.6×77＝2×13.4 IP2=0.387A

TOP222Y极限电流最小值ILIMIN=0.45A,极限电流最大值ILIMAX=0.55A 原边峰值电流IP2 必须满足：405.045.09.09.02≤×≤≤

LIMINPII

一次绕组脉动电流IR=Ip2-Ip1=0.5 IP2=0.194A

一次绕组脉动电流IR与一次绕组峰值电流Ip2的比值KRP=2PRII=0.5

一次绕组有效值电流228.06.0)15.035.0(387.0)13(222=×+−×=×+−=MAXRPRPPRMSDKKII

5） 确定初级绕组电感值

一次绕组电感量：Lp=uHfIDVVsRMAXDSMIN2072100000194.0106.0)1077(10)(66=×××−=

×

××−

6） 确定初次极绕组匝数

选择EI22磁芯 饱和磁通密度BS＝0.4T. 作为磁芯选择依据（一般选择最大磁通密度Bm=0.2T～0.3T低于0.2T磁芯未被充分利用，高于0.3所用铁氧体材料可能发生饱和）， 若Bm选择0.25T（特斯拉）

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第三章节TOPSwitch系列芯片简介doc-浙江大学城市

第三章节TOPSwitch系列芯片简介doc-浙江大学城市

第三章TOPSwitch系列芯片简介美国功率集成公司（PI公司）在1994年推出第一代TOP Switch芯片，1997年，美国功率集成公司又推出了TOP SwitchⅡ系列器件。

TOP SwitchⅡ系列器件和TOP Switch系列器件相比，内电路作了许多改进，器件对于电路板布局以及输入总线瞬变的敏感性大大减少，故设计更为方便，性能又有了增强，性能价格比更高。

与TOP Switch系列器件相比，TOP SwitchⅡ系列器件在输入电压为100V、115V或230V AC时，系统功率从（0～100）W提高到（0～150）W，在三种电压下均可工作时，系统的功率从（0～50）W提高到（0～90）W，从而使得TOP SwitchⅡ器件可在如电视、监视器以及音频放大器等许多新的应用范围内使用。

1998年推出绿色、低价的Tiny Switch和TOP Switch-FX开关电源IC 系列，它为设计高度集成的电源提供了更大的灵活性，采用的Eco Smart节能技术可以帮助工程师生产出符合环保要求的更加“绿色”的电子产品。

器件输出功率最高达75W，可广泛应用于手机充电器、PC待机电源、机顶盒、DVD和LCD 显示器等不同领域。

2000年11月最新推出TOP Switch-GX系列高压AC/DC转换芯片，把最大输出功率提高到250W，具有更高的开关频率，在轻负载时能线性缩减频率以降低待机功耗；更宽的占空比；并且，通过增加3个引脚，使用户具有更多可配置的功能（如限流调整、欠压检测、过压关断、电压前馈、两种可选频率及远程On/Off等）。

TOP Switch主要用于AC/DC转换器，具有体积小，重量轻，宽输入范围（85V-265V），提供了PI Expert专家系统设计软件，便于用户更快地设计出自已的产品。

采用TOP Switch器件的开关电源与采用分立的MOSFET功率开关及PWM 集成控制器的开关电源相比，具有以下特点：1、成本低廉。

二极管稳压电路

二极管稳压电路

二极管稳压电路稳压电路是一种常见的电子电路，其作用是使电压保持在一个稳定的值，不受外界因素的影响。

二极管稳压电路是其中一种简单而有效的稳压电路。

本文将介绍二极管稳压电路的原理、工作方式以及应用领域。

原理二极管稳压电路的基本原理是利用二极管的正向特性来实现电压稳定。

正向特性指的是二极管正向偏置时，其正向电流与正向电压之间的关系。

在二极管稳压电路中，通过合适的元件连接，可以使得当输入电压发生变化时，二极管自动调节电流，从而保持输出电压的稳定。

工作方式二极管稳压电路的工作可以分为两个阶段：主导阶段和辅助阶段。

主导阶段：在主导阶段，二极管起到主导作用。

当输入电压增加时，二极管将感知到这个变化并开始将更多的电流引导到负载电路中，以保持输出电压不变。

相反，当输入电压减少时，二极管会减少电流引导到负载电路，仍然保持输出电压不变。

辅助阶段：辅助阶段包括电压稳压芯片和稳压电容。

电压稳压芯片用于进一步稳定输出电压，确保其在任何情况下都不会发生明显的波动。

稳压电容则用于滤除电路中的噪音和杂波。

应用领域二极管稳压电路具有简单、可靠的特点，被广泛应用于各种电子设备和电路中。

以下是一些常见的应用领域：1. 电源供应：在电源供应中，稳压电路可用于确保输出电压稳定，以保护电子设备的正常工作。

2. 交流/直流转换器：二极管稳压电路常被用于交流/直流转换器中，用于将交流电转换为稳定的直流电。

3. 电子仪器：二极管稳压电路可以应用于各种电子仪器中，如示波器、信号发生器等，以提供稳定的工作电压。

4. 通信设备：在通信设备中，稳压电路可用于保持电压稳定，以确保信号传输的可靠性。

总结二极管稳压电路是一种简单而有效的电子电路，通过利用二极管的正向特性实现电压稳定。

通过主导阶段和辅助阶段的工作，二极管稳压电路能够在输入电压发生变化时保持输出电压的稳定。

该电路被广泛应用于电源供应、交流/直流转换器、电子仪器以及通信设备等领域。

它是电子领域中一个重要且不可或缺的组成部分。

开关电源top224芯片

开关电源top224芯片

绪论开关电源（Switched Mode Power Supply,SMPS)是一种由占空比控制的开关电路构成的电能变换装置，用于交流—直流或直流—直流电能的变换.其功率从零点几瓦到数十千瓦，被广泛用于生活、生产、科研、军事等各个领域。

比如：小到彩色电视机、DVD播放机等家用电器、大到飞机、卫星、导弹、舰船中，都大量采用了开关电源。

开关电源的核心为电力电子开关电路，根据负载对电源提出的输出稳压或稳流特性的要求，利用反馈控制电路，采用占空比控制方法,对开关电路进行控制.脉宽调制（PWM)技术的发展，导致了PWM开关电源问世（PWM开关电源的特点是用20KHz的载波进行脉冲宽度调制，电源的效率可达65％～70％），大幅度节约了能源,引起了人们的广泛关注，在电源技术发展史上被誉为20KHz革命。

高频化使开关电源装置空前的小型化,并使其进入更广泛的领域，特别是推动了高新技术产品的小型化、轻便化，在节约资源及保护环境方面具有深远的意义.随着电子技术的高速发展，电子设备的应用领域越来越广，与人们的工作、生活的关系日益密切。

但是，任何电子设备都离不开可靠的电源，它们对电源的要求也越来越高.并且,随着集成芯片尺寸的不断减小,处理速度越来越高,需要更加小型化、轻量化的电源(磁性元件和电容的体积、重量应随之减小)；未来的绿色电源要求开关电源的效率更高，性能更好，可靠性更高等.这一切将促进开关电源的不断发展和进步。

开关电源体积小、效率高,被誉为高效节能电源,现已成为稳压电源的主导产品。

当今开关电源正向着集成化、智能化的方向发展.高度集成、功能强大的开关型稳压电源代表着开关电源发展的主流方向。

本论文主要围绕当前流行的集成开关电源芯片进行小功率开关型稳压电源特性的研究。

本文采用TOP224Y研制了一款单片开关电源，论文给出了外围电路各部分的详细设计方法，并进行了参数计算，通过实测结果分析，验证了理论的可行性。

具有较强的适用性。

三极管和稳压二极管的稳压电路原理

三极管和稳压二极管的稳压电路原理

三极管和稳压二极管的稳压电路原理
三极管和稳压二极管常用于稳压电路，通过控制电流或者电压的方式，确保输出电压在一定范围内保持稳定。

稳压二极管（Zener二极管）是一种特殊的二极管，其工作在反向击穿区，当反向电压超过其特定的击穿电压时，会产生稳定的反向电压。

稳压二极管通过选择合适的反向击穿电压，可以实现稳定的电压输出。

常用的稳压二极管有电压范围从2V 到200V不等。

三极管稳压电路通常使用晶体三极管（BJT）或场效应管（FET）。

这些三极管通常工作在饱和区或者放大区，通过控制电流的方式，保持输出电压稳定。

稳压电路中，三极管通常作为一个调节器或者稳压器的元件使用。

在稳压电路中，稳压二极管或者三极管通常连接在电源和负载之间，通过稳压元件的特性，调节和维持输出电压的稳定性。

稳压二极管或者三极管在电流和电压变化时，可以自动调整其电阻来维持输出电压稳定。

需要注意的是，稳压二极管和稳压三极管并不是真正意义上的完美稳压器，其输出电压仍然会有一定的波动范围。

为了实现更精确的稳压电路，可以通过组合使用稳压二极管、稳压三极管和其他辅助元件，以及负反馈电路来改善稳定性和减小波动范围。