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(shù)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(diào)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(shù)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(diào)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(jīng)高頻整流濾波后即可獲得直流連續(xù)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(diào)節(jié)占空比，以達到穩(wěn)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(nèi)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(tài)下通過內(nèi)部開關式高壓電源提供內(nèi)部偏置電流，并設有電流檢測?？刂茦O(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(nèi)部并聯(lián)穩(wěn)壓器連接，提供正常工作時的內(nèi)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(nèi)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(diào)節(jié)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(nèi)部觸發(fā)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(wěn)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(wǎng)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(chǎn)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(wǎng)線之間的串模干擾，被稱為"X電容"。
為承受可能從電網(wǎng)線竄入的電擊，可在交流端并聯(lián)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(chǎn)生尖峰電壓UL，另外，在原邊上會產(chǎn)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(jīng)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(tài)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?yōu)橄露藶檎隙藶樨?，此時D1導通，電壓被限制在200V左右。
輸出環(huán)節(jié)設計
以+5V輸出環(huán)節(jié)為例，次級線圈上的高頻電壓經(jīng)過UF5401型100V／3A的超快恢復二極管D7，由于+5V輸出功率相對較大，于是增加了后級LC濾波器，以減少輸出紋波電壓。濾波電感L2選用被稱作"磁珠"的3.3μH穿心電感，可濾除D7在反向恢復過程中產(chǎn)生的開關噪聲。
對于其他兩路輸出，只需在輸出端分別加上濾波電容。其中R3、R4分別為輸出的假負載，它們能降低各自輸出端的空載和輕載電壓。
反饋環(huán)節(jié)設計
反饋同路主要由PC817和TL431及若干電容、電阻構成。其中U2為TL431，它為可調(diào)試精密并聯(lián)穩(wěn)壓器，利用電阻R5、R6分壓獲得基準電壓值。通過調(diào)節(jié)R5、R6的值可以調(diào)節(jié)輸出電壓的穩(wěn)壓值。C8為TL431的頻率補償電容，可以提高TL43l的瞬態(tài)頻率響應。C7為軟啟動電容，取C7=22μF時可增加4ms的軟啟動時間，在加上TOP222G本身已有的10ms軟啟動時間，則總共為14ms。
U3為PC817型線性光耦合器，其電流傳輸比(CTR)范圍為80％～160％，，能夠較好地滿足反饋回路的設計要求，而目前國內(nèi)常用的4N25、4N26屬于非線性光耦合器，不宜采用。反饋繞組上產(chǎn)生的電壓經(jīng)D4、C9整流濾波，獲得非隔離式+12V輸出，為PC817接收管的集電極供電。由于反饋繞組輸出電流較小，次級采用D4硅高速開關管1N4148。光耦PC817能將+5V輸出與電網(wǎng)隔離，其發(fā)射極電流送至TOP222G的控制端，用來調(diào)節(jié)占空比。
C3為控制端旁路電容，它能對控制回路進行補償并設定自動重啟頻率。當C3=47μF時，自動重啟頻率為1.2Hz，即每隔0.83s檢測一次調(diào)節(jié)失控故障是否已經(jīng)被排除，若確認已被排除，就自動重啟開關電源恢復正常工作。
R2為PC817中LED的外部限流電阻。實際上除了限流保護作用外，他對控制回路的增益也具有重要影響。當R2改變時，會依次影響到下列參數(shù)值：IF→IC→D→UO，也就相當于改變了控制回路的電流放大倍數(shù)。
下面簡要分析一下反饋回路實現(xiàn)穩(wěn)壓的工作原理。當輸出電壓UO發(fā)生波動且變化量為UO時，通過取樣電阻R5、R6分壓后，就使TL431的輸出電壓UK也產(chǎn)生相應的變化，進而使PC817中LED的工作電流IF改變，最后通過控制端電流IC的變化量來調(diào)節(jié)占空比D，使UO產(chǎn)生相反的變化，從而抵消UO的波動。上述穩(wěn)壓過程可歸納為：
UO ↑→UK ↓→IF ↑→IC ↑→D ↓→UO↓→最終使UO不變。
其余各路輸出未加反饋，輸出電壓均由高頻變壓器的匝數(shù)來確定。
