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TOPSwitchGX系列单片开关电源的快速设计法
TOPSwitchGX属于高性价比的单片开关电源。下面介绍利用特性曲线快速选择TOPSwitchGX芯片并估算电源效率η和芯片功耗PD的方法。快速设计法可为设计单片开关电源提供重要依据。
1快速选择TOPSwitchGX芯片的方法
TOPSwitchGX的交流输入方式有两种:宽范围输入(交流85V~265V,亦称世界通用的供电电压输入),固定输入(交流230V±15%,亦称单一供电电压输入)。下面介绍四种快速选择曲线及其使用方法和设计实例。
1.1宽范围输入时PD与η、PO的关系曲线
TOPSwitchGX系列产品在宽范围输入条件下,当输出电压UO=+5V、+12V时,PD与η、输出功率(PO)的关系曲线,分别如图1、图2所示。现规定以下条件:开关频率f=132kHz;交流输入电压U=85V~265V;输入滤波电容CIN的容量按3μF/W的比例系数选取;初级感应电压UOR=135V;漏极钳位电压UB=200V,漏极钳位电路中可以并联上RC网络,以减少瞬态电压抑制器的损耗;输出整流管采用肖特基二极管,5V输出时正向压降为0.45V、反向耐压为45V;12V输出时分别为0.54V、100V;TOPSwitchGX在额定输出时的最低结温Tjmin=100℃(仅Y封装为110℃)。图中,横坐标代表PO,纵坐标代表η。所给出的八条实线依次对应于TOP242~TOP249的电源效率,虚线则表示芯片功耗的等值线。图中的阴影区对应于输出电流IO>10A的情况,若要使用该区域内的曲线部分,应选更大功率的输出整流管并增加滤波电容的容量,此时电源效率会降低些。
图1宽范围输入、5V输出时PD与η、PO的关系曲线
图2宽范围输入、12V输出时PD与η、PO的关系曲线
图3固定输入、5V输出时PD与η、PO的关系曲线
1.2固定输入时PD与η、PO的关系曲线
TOPSwitchGX系列产品在固定输入条件下,当UO=+5V、+12V时,PD与η、PO的关系曲线,分别如图3、图4所示。这里假定U=230V±15%,CIN的容量按1μF/W的比例系数选取。其余条件同上。
1.3快速选择曲线的使用方法
利用上述曲线能快速选择TOPSwitchGX芯片,并得到电源效率和芯片功耗的估计值,也为选择散热器提供了依据。由于这些曲线反映了PD、η、PO参数的内在联系,因此所得到的估计值是可信的。
使用快速选择曲线的方法如下:
(1)根据预先确定好的U、UO值,选择适用的特性曲线;
(2)从横坐标上查出所预期的输出功率点(PO);
(3)沿此功率点垂直向上移动,直到与第一条实
曲线相交;
(4)读出该交点对应于纵坐标的电源效率值;
(5)确定该效率值是否满足设计要求,如不满足,再向上移动查找其他曲线;
(6)从虚线(等值线)上读出所选芯片的功耗PD,供设计散热器时参考。
最后再利用电子数据表格或PI专家系统完成整个开关电源的设计工作。 [p]
需要指出,设计人员所预期的输出功率值可能对应于几种不同型号的芯片。此时从横坐标垂直上移时所遇到的第一条实曲线,就代表输出功率最小、成本最低的TOPSwitchGX芯片,而遇见的最后一条实曲线,则表示功率最大、效率最高、价格较贵的芯片。应根据实际情况合理地选择。此外,若UO为5V~12V中间的某一数值,则可用外插法从两条曲线中间找一个合适的工作点。注意,适当提升输出电压可以提高电源效率。例如在一个通用型12V、70W的设计曲线中,用TOP249Y估计有79.5%的效率,若将输出电压提升到19V,效率就将达到85%。而由TOP249Y构成交流230V输入、输出为48V、250W的敞开式开关电源,其效率可达84.5%。
1.4应用实例
例1设计一个宽范围输入、输出为5V、30W的开关电源
从图1所示曲线上可以查出,当PO=30W时可选TOP244芯片。此时交点所对应的电源效率为67.5%,TOP244的功耗为3.5W。若采用TOP245芯片,则效率可提高到70.5%,功耗也降至2.5W。当PD=1.5W时,可选Y封装的芯片。
例2设计一个宽范围输入、输出为12V、12W的电源适配器
由图2上可以查出,适合PO=12W的芯片型号有两种:TOP243、TOP244。所不同的是选择TOP243时,η=82%,PD=0.7W;若选TOP244,则η=83%,PD=0.5W,考虑到电源适配器密封在塑料盒内,散热条件较差,要求Tjmin≤100℃。对于DIP8B封装的芯片,在印制板上用232mm2敷铜箔作散热器时,其芯片结温到周围空气的总热阻RθA=35℃/W。假定最高环境温度TAM=50℃,塑料盒内还有大约20℃的温升△T,即盒内温度T"A=TAM+△T=70℃。根据下式可计算出额定输出时芯片的最低结温:
图4固定输入、12V输出时PD与η、PO的关系曲线
表2宽范围输入、12V输出时关键元件的典型参数
参数 | TOP242 | TOP243 | TOP244 | TOP245 | TOP246 | TOP247 | TOP248 | TOP249 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
LP(μH) | 2780 | 1358 | 923 | 693 | 462 | 346 | 277 | 231 |
LP0(μH) | 1.5 | 1.0 | 1.0 | 1.0 | 1.0 | 1.0 | 1.0 | 1.0 |
f0(kHz) | 750 | 800 | 850 | 900 | 950 | 1000 | 1050 | 1100 |
ZP(mΩ) | 2400 | 1200 | 800 | 600 | 700 | 500 | 400 | 300 |
ZS(mΩ) | 30 | 15 | 10 | 8 | 6 | 4 | 3 | 2 |
PL(mW) | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 |
表1宽范围输入、5V输出时关键元件的典型参数
参数 | TOP242 | TOP243 | TOP244 | TOP245 | TOP246 | TOP247 | TOP248 | TOP249 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
LP(μH) | 2780 | 1385 | 923 | 693 | 462 | 346 | 277 | 231 |
LP0(μH) | 1.5 | 1.5 | 1.5 | 1.5 | 1.5 | 1.5 | 1.5 | 1.5 |
f0(kHz) | 750 | 800 | 850 | 900 | 950 | 1000 | 1050 | 1100 |
ZP(mΩ) | 2000 | 1060 | 700 | 600 | 500 | 300 | 200 | 100 |
ZS(mΩ) | 12 | 6 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0.75 | 0.5 |
PL(mW) | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 |
Tjmin=T'A+RθA·PD [p]
对TOP243P而言,PD=0.7W时,Tjmin=70+35×0.7=94.5℃100℃。对于TOP244P,PD=0.5W时不难算出Tjmin=87.5℃。因此,如果塑料盒内没有足够的空间安装散热器时,选择TOP244P就更为适合。
例3设计一个宽范围输入、输出为12V、70W的开关电源
由图2可见,有4种芯片可满足要求:TOP246Y(效率73.8%,功耗8W);TOP247Y(效率77%,功耗5.5W);TOP248Y(效率78.5%,功耗4.5W);TOP249Y(效率79.5%,功耗3.9W)。显然,选择TOP249Y时电源效率最高,而器件的功耗为最低,但其价格要稍贵些。
2关键元件的典型参数值
TOPSwitchGX在宽范围输入、输出为5V或12V时,关键元件的典型参数值分别见表1和表2,所列数据可供设计开关电源时参考。表中,LP、LP0分别为高频变压器初级电感量和初级漏感量,f0是次级开路时高频变压器的谐振频率,ZP、ZS依次为初级和次级绕组的交流阻抗,PL为磁芯的功率损耗。
3设计注意事项
必须指出,TOPSwitchGX的快速设计法旨在提供设计开关电源的正确途径,所得到的PD、η参数均为估计值。最终能否达到设计指标,还受诸多因素的影响。下面阐述设计过程中的一些注意事项。
3.1造成开关电源性能指标降低的主要因素
(1)当输入滤波电容CIN的容量存在负偏差或因电容衰老而使容量减小时,会导致直流输入电压UI降低,初级有效值电流增大,使可用芯片的选择范围减小;
(2)受制造工艺的限制,高频变压器的初级电感量LP可能有较大的偏差。LP过大,需增大高频变压器的尺寸;而LP过小,会使初级脉动电流和有效值电流增大,增加芯片的功耗,要采用较大功率的TOPSwitchGX芯片;
(3)快速选择曲线仅适合于交流输入为正弦波。当电网波形有严重失真时,会导致整流滤波后的UI降低,有可能使芯片欠压保护。此时应增大输入滤波电容CIN的容量,或者降低PO值;
(4)初级感应电压UOR对电源效率有很大影响。UOR太高,不仅会增加钳位保护电路的功耗,还容易烧毁钳位二极管,进而损坏TOPSwitchGX芯片。另外,UOR过低,会降低输出功率和电源效率;
(5)低压输出时,要求输出滤波电容COUT的等效串联电阻(ESR)必须很低,以免增加次级损耗;
(6)为提高电源效率,必须减小高频变压器的初级漏感LP0。正确的设计应使LP0/LP的比值不超过1%~1.5%。否则,应改进高频变压器的结构和制造工艺。测量LP0时,应先把次级绕组短路,再用数字电感表或RLC自动测量仪测量初级绕组两端的漏感《电源技术应用》2001年9月第9期
量;
(7)开关电源的效率愈低,表明芯片功耗愈大。当效率过低时有可能从快速曲线上查不到任何一条实曲线,此时虚线亦失效,这证明设计不合理,需重新设计。
3.2提高开关电源性能指标的方法
(1)前面提到CIN的每W电容量推荐值,只是能满足设计指标并降低电容器成本的基本条件。但就电源效率和CIN的使用寿命而言,适当提高每W的电容量值,定能达到更好的性能指标,只是CIN的容量增大了,成本也会相应增加;
(2)若已确信开关电源总处于低压输入情况,可适当提高钳位电压UB和感应电压UOR。这样虽然会增大次级峰值电流ISP,却能提高总的电源效率并降低芯片功耗。令输出整流管的反向耐压值为U(BR)S,有下述关系式:UOR↑→D↓→IRMS↓→Tjmin↓→U(BR)S↓。这就便于选择低耐压、高效率的肖特基二极管作整流管;(3)对于TOPSwitchGX芯片,可得到两个互相独立的最大输出功率值。一个是通过设定工作参数(例如Dmax、)而得到的;另一个是由芯片最低结温Tjmin所决定的热状态下最大输出功率。快速选择曲线未考虑Tjmin的限制,而后者可能使设计的输出功率低于芯片最大输出功率,此时可相应增加初级电感量并改善散热条件。将电源适配器设计在连续模式下工作,能够降低芯片的功耗;
(4)使用快速选择曲线的条件之一是TOPSwitchGX在低于100℃结温下工作。如能在较低的结温下工作,会改善其输出特性。此外,适当增加散热器面积,也有助于提高电源效率和输出功率。
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