1、 電源招聘專家 如何避免小功率通用開關(guān)電源設(shè)計(jì)中產(chǎn)生的EMI 直流穩(wěn)壓電源是現(xiàn)代電力電子系統(tǒng)中的重要組成部分，好的直流電源系統(tǒng)是高質(zhì)量現(xiàn)代電子系統(tǒng)的重要保證。開關(guān)電源本身種類繁多，設(shè)計(jì)方法也復(fù)雜多樣，因此研究一種簡潔的方法去快速設(shè)計(jì)出所需要的通用型高效率，低廉價(jià)格的開關(guān)電源是很有必要的。1 開關(guān)電源工作原理開關(guān)直流穩(wěn)壓電源是基于方波電壓的平均值與其占空比成正比以及電感、電容電路的積分特性而形成的。其基本工作原理是，先對(duì)輸入交流電壓整流，從而形成脈動(dòng)直流電壓，經(jīng)過DC-DC 變換電路變壓，再通過斬波電路形成了不同脈沖寬度的高頻交流電，然后對(duì)其整流濾波輸出需要電壓電流波形。如果輸出電壓波形偏離所需

2、值，便有電流或電壓采樣電路進(jìn)行取樣反饋，經(jīng)過與比較電路的電壓值進(jìn)行參數(shù)比較，把差值信號(hào)放大，從而控制開關(guān)電路的脈沖頻率f 和占空比D，以此來控制輸出端的導(dǎo)通狀態(tài)。因此，輸出端便可以得到所需的電壓電流值。如圖1， 將開關(guān)電源模塊劃分為以下幾個(gè)部分。根據(jù)電力系統(tǒng)的實(shí)際需要，通過對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行分析，便可以設(shè)計(jì)出相應(yīng)的開關(guān)電源產(chǎn)品。圖1 開關(guān)電源原理框圖。2 Topswitch簡介TOPSwitch ？是POWER 公司生產(chǎn)的高集成的用于開關(guān)電源的專用芯片。它將功率開關(guān)管與其控制電路集成于一個(gè)芯片內(nèi)，并具有自動(dòng)復(fù)位，過熱保護(hù)與過流保護(hù)等功能，其功能原理圖如圖2 所示。當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，D 引腳變?yōu)楦唠娢唬?/p>

3、內(nèi)部電流源開始工作且片內(nèi)開關(guān)在0 位，TOPSwitch 給并接在C 引腳的電容C5（見圖2） 充電。當(dāng)C5 端電壓達(dá)到5.7 V 后，自動(dòng)重起電路關(guān)閉，片內(nèi)開關(guān)跳到1 位。C5 一方面提供TOPSwitch 內(nèi)部控制電路的電源，使誤差放大器開始工作，另一方面提供一反饋電流以控制開關(guān)管的占空比。MOSFET 開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由內(nèi)部振蕩電路、保護(hù)電路和誤差放大電路共同產(chǎn)生。C5 兩端的電壓愈高，MOSFET 開關(guān)管驅(qū)動(dòng)脈沖的占空比愈小。3 TOPSwitch 芯片的選型在設(shè)計(jì)開關(guān)電源時(shí)，首先就要面臨如何選擇合適的開關(guān)電源控制芯片。在選擇芯片的時(shí)候，要既能滿足要求，又不因?yàn)檫x型造成資源的浪費(fèi)。下面

4、就介紹利用Topswitch系列開關(guān)電源的功率損耗（ PD ） 與電源效率（），輸出功率（ Po ） 關(guān)系曲線，快速選擇芯片的型號(hào)，從而完成寬范圍輸入的通用開關(guān)電源的設(shè)計(jì)。圖2 TOPSwitch芯片內(nèi)部原理圖。3.1 PD， Po 關(guān)系曲線寬范圍輸入的交流電壓為85 265 V， 在這種條件下，TOP221 TOP227 系列單片開關(guān)電源的P D，Po 關(guān)系曲線如下，見圖3、圖4。圖3 寬范圍輸入且輸出為5 V 時(shí)PD ， Po 關(guān)系曲線。圖4 寬范圍輸入且輸出為12 V 時(shí)PD， Po 關(guān)系曲線。注意，這里假定交流輸入電壓最小值umin= 85 V，最高輸入電壓umax = 265 V.途

5、中的橫坐標(biāo)代表輸出功率，而15 條虛線均為芯片功耗的等值線。首先確定適用的曲線圖，例如，當(dāng)u= 85 265 V，Uo= + 5 V 時(shí)，應(yīng)該選擇圖3; 當(dāng)u= 220 V（ 即230 V-230 V× 4.3% ），Uo= + 12 V 時(shí)，就應(yīng)該選擇圖4; 然后在橫坐標(biāo)上找出欲設(shè)計(jì)的功率輸出點(diǎn)P o ; 從輸出功率點(diǎn)垂直向上移動(dòng)，知道選中合適芯片所指的那條曲線。如果不適用，可以繼續(xù)向上查找另一條實(shí)線; 然后從等值線（ 虛線） 上讀出芯片的功耗PD，進(jìn)而還可以求出芯片的結(jié)溫（ Tj ） 以確定散熱片的大小。例如，設(shè)計(jì)輸出5 V， 30 W 的通用開關(guān)電源時(shí)，就要選擇圖3.因?yàn)橥ㄓ瞄_

6、關(guān)電源輸入交流電壓范圍85 265 V.首先從橫坐標(biāo)上找到Po = 30 W 的輸出功率點(diǎn)，然后垂直上移，與T OP224 的實(shí)線相交于一點(diǎn)，由縱坐標(biāo)上查出該點(diǎn)的= 71.2%，最后從經(jīng)過這點(diǎn)的那條等值線上，查得PD = 2.5 W.這表明，選擇TOP224 就能輸出30 W 功率，并且預(yù)期的電源效率為71.2%，芯片功耗為2.5 W.如果覺得指標(biāo)效率偏低，還可以繼續(xù)往上查TOP225 的實(shí)線。同理，選擇TOP225 也能輸出30 W 的功率，而預(yù)期的電源效率可以提高到75%，芯片功耗可以降低1.7 W.然后根據(jù)所得到的PD 值，還可以進(jìn)而完成散熱片設(shè)計(jì)。3.2 等效輸出功率的修正PD ， P

7、o 關(guān)系曲線均對(duì)交流輸入電壓的最小值進(jìn)行了限制，umin = 85 V.如果交流輸入電壓最小值不符合上述的要求，就會(huì)直接影響芯片的正確選擇。此時(shí)必須從實(shí)際的交流輸入電壓u？ min最小值對(duì)應(yīng)的功率Po 折算成umin為規(guī)定值時(shí)的等效功率Po，才能使用上面的圖。功率修正的方法如下： 選擇使用的特性曲線，然后根據(jù)已知的umin值查出折算系數(shù)K;將P o折算成umin為規(guī)定值時(shí)的等效功率Po，表達(dá)公式P o=Po / K;然后從圖3、圖4 中選用適當(dāng)?shù)年P(guān)系曲線。圖5 寬范圍輸入時(shí)K 與umin 的關(guān)系。例如設(shè)計(jì)12 V， 35 W 的通用開關(guān)電源，已知umin= 90% × 115 V =

8、 103.5 V.從圖5中查出K =1.15.將P o = 3.5 W， K = 1.15帶入P o= P o / K 中，計(jì)算出Po= 30.4 W; 再根據(jù)Po 的值，從圖4 中查出選擇的最佳型號(hào)是T OP224 芯片，此時(shí) = 81.6%，PD= 2 W.如果選擇了T OP223， 則 降到73.5%，PD 增加到5 W， 顯然不合適。如果選擇T OP225 型，就會(huì)造成資源浪費(fèi)，因?yàn)樗萒OP224 的價(jià)格要高一些，而且適合輸出40 60 W 的更大的功率。4 主要元件參數(shù)計(jì)算4.1 變壓器變比的設(shè)計(jì)開關(guān)變壓器的變比與開關(guān)變換電路的具體形式有關(guān)，正激、半橋變換電路中開關(guān)變壓器的變比公式

9、為：式中，Uin，Uout分別為開關(guān)變壓器的輸入和輸出電壓;Nin，Nout 分別為開關(guān)變壓器初級(jí)和次級(jí)線圈的匝數(shù)。當(dāng)輸入電壓最低時(shí)，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該按最低輸入電壓代入計(jì)算。推挽電路的輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系公式為：Uout= 2DUin/n因此得到關(guān)系式：n= 2D Uin / Uout= N 1 / N 2.輸入電壓最低時(shí)，占空比D 值最大，這時(shí)候仍然能保持設(shè)計(jì)要求的輸出電壓，所以上式的D 應(yīng)取最大值，Uin取最小值。4.2 輸入濾波電容的選擇輸入濾波電容器C 的容量與電源效率，輸出功率密切相關(guān)，對(duì)于寬范圍輸入的開關(guān)電源，C 的容量取F 為單位時(shí)，可按比例系數(shù)3F/ W 來選取。例如當(dāng)P

10、o= 30 W 時(shí)，C= （ 3F/W）×30 W= 90F， 以此類推。在固定輸入時(shí)，比例系數(shù)變成1F/W， 上例中的C 就變成30F.在設(shè)計(jì)開關(guān)電源時(shí)還要注意C 的容量誤差要盡量小，以免影響開關(guān)電源的性能。當(dāng)C 的容量過小時(shí)，會(huì)降低Topswitch的可用功率。如果把30F 改成20F， 則輸出功率會(huì)降低15 %; 當(dāng)C 20F 時(shí)，會(huì)造成可用功率的明顯下降。另外，C 容量的大小還決定直流高壓Ui 的數(shù)值，圖3、圖4 實(shí)際上是在Ui= 105 V 的情況下繪制的，這個(gè)充分體現(xiàn)了C 對(duì)Ui 的影響。4.3 開關(guān)管保護(hù)電路在開關(guān)芯片的漏極D 側(cè)可以利用VDZ 和VD 兩個(gè)二極管對(duì)高頻變壓器的漏感產(chǎn)生的尖峰電壓進(jìn)行箝位，可保護(hù)的D-S 極間不被擊穿。例如VDZ 可以選用瞬態(tài)電壓抑