1、基于TOP227Y的单片开关电源设计王小双1，2，林辉1， 赵静2(1.西北工业大学 自动化学院 西安 710072；2.西安通信学院 西安 710106): 介绍了一种基于TOP227Y三端离线式PWM集成芯片的反激式开关稳压电源；分析了TOP227Y的特性和工作原理，设计了一款功率50W，输出+15V的单片开关电源，并对系统开关电源实用电路及主要单元电路进行了详细的分析，进行了参数值计算、器件的选取与电路设计；最后，给出了该电源输出实验波形，并进行了整体性能分析。实验证明：该开关稳压电源具有效率高、纹波小、输出电压稳定等优点。关键词: 单片开关电源; 单端反激式; 高频变压器Design
2、of Single - Chip Switching Power Supply Based on TOP227Y Wang Xiao-shuang1,2，Lin Hui1，Zhao Jin2 1.northwestern polytechnical university ,School of automation Xi，an 710072 ；2. The communication institute of Xi，an, 710106Abstract : A flyback switching power supply based on TOP227Y is presented. Firstl
3、y , the principle and characteristics of this Single -chip switching power supply are analyzed. A single-chip switching power supply is designed according to the features of the chip which output power is 50W and output voltage is +15V. Second , the design method and practical circuit. are described
4、. Calculation of the values of the parameters and selection of the components are provided. At last, output voltage wave and the analysis of the whole electrical character are given. The test result shows the power supply have high efficiency , low ripple , stability output voltage and so on.Key wor
5、ds : TOPSwitch switching power; single-chip flyback ; highf requency transformer0 引言 单片开关电源自20世纪90年代中期问世以来，由于具有单片集成化、最简外电路、最正确性能指标、无工频变压器、能完全实现电气隔离等显著特点，显示出强大的生命力，倍受人们青睐，是开关电源的开展方向。目前,它已成为国际上开发290W以下高效率中、小功率开关电源、精密开关电源、特种开关电源及电源模块的优选集成电路。本文介绍了由美国PI公司生产的TOP227Y型( TOPSwitch-系列)三端单片开关电源构成的15V/50W无工频变压器
6、式单片开关电源模块。该开关电源模块可应用于直流无刷电机、仪器仪表等控制供电电源。1 TOP227Y的主要性能特点和工作原理11.1 性能特点TOP227Y是TOPSwitch-系列中一款输出功率比大的芯片，其封装形式是TO-220，自带小散热片，是典型的三端集成器件，三个管脚分别为控制端Ccontrol、源极Ssource、漏极D(drain)，其内部功率MOSFET器件的耐压值高达700V，可设计成150W以下仪器仪表的多路隔离式内置控制电源，TOPSwitch-系列产品具有以下显著特点：1将脉宽调制PWM控制系统的全部功能集成到三端芯片中，内含脉宽调制器、功率开关场效应管MOSFET、自动
7、偏置电路、保护电路、高压启动电路和环路补偿电路，通过高频变压器使输出端与电网完全隔离，真正实现了无工频变压器、隔离式开关电源的单片集成化，使用安全可靠。由于采用CMOS电路，使器件功耗显著降低。2采用漏极开路输出，并利用控制极反响电流IC来线性调节占空比实现AC/DC变换的，即属于电流控制型单片开关电源。3输入交流电压和频率的范围极宽。作固定电压输入时，可选110V/115V/230V交流电，允许变化15%。在宽电压范围输入时，适配85V265V交流电，但输出功率峰值POM值要比前者降低40%。4它只有三个引出端，能以最简方式构成无工频变压器的单端反激式开关电源。开关频率的典型值为100kHz
8、，允许范围是90k110kHz，占空比调节范围是1.7%67%。5外围电路简单，电磁干扰小，本钱低廉。由于芯片本身功耗很低，电源效率可达80%左右，最高可达90%。因此，被誉为“绿色电源。1.2 工作原理TOP227Y的内部框图如以下列图1所示，主要包括10个局部： 图1 TOP227Y的内部框图 控制电压源控制电压UC向并联调整器和门极驱动提供偏压；控制端电流那么能调节占空比。UC有两种工作模式，一种是滞后调节，用于启动和过载两种情况，具有延迟作用；另外一种是并联调节，用于别离误差信号与控制电路的高压电流源。 带隙基准电压源内部提供各种基准电压；产生一个具有温度补偿并可调整的电流源，可精确设
9、定振荡频率和门驱动级电流。 振荡器产生锯齿波SAW、最大占空比信号Dmax和时钟信号CLOCK。 并联调整器/误差放大器并联调整器的作用是当加到控制的反响电流超过所需电流时，就通过并联调整器进行分流。 脉宽调制器通过改变控制端电流的大小，连续调节脉冲占空比，实现脉宽调制PWM，并能滤掉开关噪声电压； 门驱动级和输出级内含耐压为700V的功率开管MOSFET； 过流保护电路利用MOSFET。的漏源通态电阻RDS(ON) 来检测过电流，当漏极电流过大时令MOSFET关断，起到过流保护作用； 过热保护及上电复位电路当芯片结温135时关断输出级； 关断/自动重启动电路当调节失控时，立即使芯片在低占空比
10、下工作。当故障已排除，就自动重新启动电源恢复工作； 高压电流源提供偏流用。TOP227Y的根本工作原理是利用反响电流来调节占空比，到达稳压目的。如当输出电压减小时，经过反响电路使得降低，增大，升高，最终使保持不变。具体工作原理请参阅文献2。2 设计实例2-4图2是用TOP227Y芯片设计的单端反激式开关电源的原理图。输入为220V AC15%，输出为+15VDC，功率为50W。由于TOPSwitch芯片集成度高，设计工作主要是外围电路的设计。外围电路根本分为输入整流滤波电路、钳位保护电路、高频变压器、输出整流滤波电路及反响电路5局部。 图2 TOP227Y单片电源电路图2.1 输入整流滤波电路
11、设计输入整流滤波电路包括交流滤波、整流局部和整流滤波电容。交流滤波采用技术成熟的型滤波电路，具体参数如下：去除差模干扰的、为0.1F/250V；去除共模干扰的、为10nF；滤波线圈为1033Mh，采取双线并绕。整流电路选择不可控的整流桥，整流二极管的反向耐压应大于400V，其承受的冲击电流应大于额定整流电流的710倍。还应注意，选定的整流二极管的稳态电流容量应为计算值的两倍。本设计中,选用四个IN4007整流二极管构成整流桥。在当前的供电条件下，电容的值可根据输出功率按照3F /W来取值，再考虑余量后，取=150F/400V。交流电压输入范围为187V253V，即=187V,=253V。假设整
12、流桥中二极管导通时间为=3ms，可由式1和2式可得输入直流电压最小值和最大值为： 1 2 式中 系统效率，可选择80%； 交流电网频率； 电源输出功率。2.2 变压器设计5单端反激式变换器与半桥和全桥变换器的根本区别在于：高频变压器磁芯只工作在磁滞回线的第一象限。在开关管导通时只储存能量，而在截止时向负载传递能量。因此，它既是变压器又是储能电感，具体设计如下：1选磁芯反激变换器的功率比拟小，一般选用铁氧体材料的磁芯，其功率容量(Ap)计算公式如下公式： 3式中 变压器磁芯的有效截面积cm2； 变压器磁芯的窗口面积cm2； 变压器的标称输出功率w； 变压器的效率，一般取0.8-0.9； 变压器的
13、工作频率； 线圈导线的电流密度，通常取2-3A/mm2; 窗口填充系数，一般取0.2-0.4； 磁芯的填充系数，一般取1.0。根据计算的AP选取余量大些的磁芯既可。择EI-48铁氧体磁芯，其有效截面积大于的计算值。2计算最大占空比 4式中 次级反射到初级的反射电压，取135V； MOSFET的漏源极通态电压，取10V。3计算变压器的初级自感 5 是整流滤波直流高压；是电源输入功率。4计算原边绕组最大峰值电流 6是主功率开关管的开通时间，取最大导通时间0.5usf=100k.4计算初、次级绕组匝数初级绕组匝数为： 7 为变压器磁通变化量，一般取1000-3000G。 次级绕组匝数为： 8 反响绕
14、组匝数为： 9式中 反响电压，取为10.4V。5计算气隙长度 10式中 气隙长度(mm) 常数，410-7H/m。磁芯截面积(mm2)6确定导线线径设计中初级绕组和反响绕组用线径0.31mm的导线单股绕，次级绕组用线径为0.35mm的导线双股并绕。2.3 箝位保护电路设计当TOP227Y的功率MOSFET管由导通变为截止时，在高频变压器T的初级绕组上会产生尖峰电压和反射电压，其中尖峰电压是由于高频变压器存在漏感而形成，直流高压和反射电压叠加后很容易损坏MOSFET管。为此，必须设计箝位保护电路，对尖峰电压进行箝位和吸收。图2中VD1和VD2构成的箝位电路可防止高压对TOP224Y的损坏，VD1与VD2的选择由反射电压决定。一般取135V，VD1箝位电压可由经验公式得出，VD2的耐压值应大于最大直流输入电压。本设计中VD1采用反向击穿电压为200V的TVS(瞬态电压抑制器)P6KE200，VD2采用反向耐压为600V的超快恢复二极管MUR1560。2.4 输出整流滤波电路的设计输出整流滤波电路由整流二极管和滤波电容构成。输出整流二极管的开关损耗占系统损耗的1/6多，是影响开关电源效率的主要因素，它包括正向导通损耗和
