多路輸出單端反激式開關電源原理及設計

本文介紹了一種基于TOPSwith系列芯片設計的小功率多路輸出AC/DC開關電源的原理及設計方法。

設計要求

本文設計的開關電源將作為智能儀表的電源，最大功率為10 W。為了減少PCB的數量和智能儀表的體積，要求電源尺寸盡量小并能將電源部分與儀表主控部分做在同一個PCB上。

考慮10W的功率以及小體積的因素，電路選用單端反激電路。單端反激電路的特點是：電路簡單、體積小巧且成本低。單端反激電路由輸入濾波電路、脈寬調制電路、功率傳遞電路(由開關管和變壓器組成)、輸出整流濾波電路、誤差檢測電路(由芯片TL431及周圍元件組成)及信號傳遞電路(由隔離光耦及電阻組成)等組成。本電源設計成表面貼裝的模塊電源，其具體參數要求如下：

輸出最大功率：10W

輸入交流電壓：85～265V

輸出直流電壓／電流：+5V，500mA；+12V，150mA；+24V，100mA

紋波電壓：≤120mV

單端反激式開關電源的控制原理

所謂單端是指TOPSwitch-II系列器件只有一個脈沖調制信號功率輸出端一漏極D。反激式則指當功率MOSFET導通時，就將電能儲存在高頻變壓器的初級繞組上，僅當MOSFET關斷時，才向次級輸送電能，由于開關頻率高達100kHz，使得高頻變壓器能夠快速存儲、釋放能量，經高頻整流濾波后即可獲得直流連續輸出。這也是反激式電路的基本工作原理。而反饋回路通過控制TOPSwitch器件控制端的電流來調節占空比，以達到穩壓的目的。

TOPSwitch-Ⅱ系列芯片選型及介紹

TOPSwitch-Ⅱ系列芯片的漏極(D)與內部功率開關器件MOSFET相連，外部通過負載電感與主電源相連，在啟動狀態下通過內部開關式高壓電源提供內部偏置電流，并設有電流檢測。控制極(C)用于占空比控制的誤差放大器和反饋電流的輸入引腳，與內部并聯穩壓器連接，提供正常工作時的內部偏置電流，同時也是提供旁路、自動重起和補償功能的電容連接點。源極(S)與高壓功率回路的MOSFET的源極相連，兼做初級電路的公共點與參考點。內部輸出極MOSFET的占空比隨控制引腳電流的增加而線性下降，控制電壓的典型值為5.7 V，極限電壓為9 V，控制端最大允許電流為100 mA。

在設計時還對閾值電壓采取了溫度補償措施，以消除因漏源導通電阻隨溫度變化而引起的漏極電流變化。當芯片結溫大于135℃時，過熱保護電路就輸出高電平，關斷輸出極。此時控制電壓Vc進入滯后調節模式，Vc端波形也變成幅度為4.7V～5.7V的鋸齒波．若要重新啟動電路，需斷電后再接通電路開關，或者將Vc降至3.3V以下，再利用上電復位電路將內部觸發器置零，使MOSFET恢復正常工作。

采用TOPSwitch-Ⅱ系列設計單片開關電源時所需外接元器件少，而且器件對電路板布局以及輸入總線瞬變的敏感性大大減少，故設計十分方便，性能穩定，性價比更高。

對于芯片的選擇主要考慮輸入電壓和功率。由設計要求可知，輸入電壓為寬范圍輸入，輸出功率不大于10W，故選擇TOP222G。

電路設計

本開關電源的原理圖如圖1所示。

電源主電路為反激式，C1、L1、C2，接在交流電源進線端，用于濾除電網干擾，C5接在高壓和地之間，用于濾除高頻變壓器初、次級后和電容產生的共模干擾，在國際標準中被稱為Y電容。C1跟C5都稱作安全電容，但C1專門濾除電網線之間的串模干擾，被稱為X電容。

為承受可能從電網線竄入的電擊，可在交流端并聯一個標稱電壓u1mA為275V的壓敏電阻VSR。

鑒于在功率MOSFET關斷的瞬間，高頻變壓器的漏感產生尖峰電壓UL，另外，在原邊上會產生感應反向電動勢UOR，二者疊加在直流輸入電壓上。典型的情況下，交流輸入電壓經整流橋整流后，其最高電壓UImax=380V，UL≈165V，UOR=135V，貝UOR+UL+UOR≈680V。這就要求功率MOSFET至少能承受700V的高壓，同時還必須在漏極增加鉗位電路，用以吸收尖峰電壓，保護TOP222G中的功率MOSFET。本電源的鉗位電路由D2、D3組成。其中D2為瞬態電壓抑制器(TVS)P6KE200，D3為超快恢復二極管UF4005。當MOSFET導通時，原邊電壓上端為正，下端為負，使得D3截止，鉗位電路不起作用。在MOSFET截止瞬間，原邊電壓變為下端為正，上端為負，此時D1導通，電壓被限制在200V左右。