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基于
TOP227Y
芯片的单端反激式开关电源
前
言
虽然身边到处充斥着电子设备，<
/p>
所有空间几乎都被各种电磁波覆
盖，但是从来没有真正留意过什么
。后来
,
因为偶尔需要找朋友维修
一些
电子设备，
加之有培养孩子学一些电子电路知识的想法，
于是就
在不经意间走
近
了
“
近在咫尺却又远在天边
”
的电子
世界。
开始是基于简单的需要，利用工频变压器和
LM317
自己设计制
作了带呼吸灯的直流稳压电
源比较粗糙。
后来因为要改造车载点烟器
的手机充电接口，又基
于
34063
自制车载手机充电板，使用中发现
34063
做的充电板虽然基本满足使用要求。但是一直存在芯片明显发
热的问题，
偶尔还有电感噪声。
于是基于
LM2596
再做车载手机充电
板。
从制作中了解到
LM2596
系列是
3A
电流
输出降压开
关型集成稳
压
芯片
，它内含固定频率振
荡器（
150KHZ
）和基准稳压器（
1.23v
）
，
并具有完善的
保护电路
、电流限制、热关断电路等。利用该器件只需
< br>很少的外围器件便可构成高效稳压电路。这时才第一次听说
“
开关电
源
”
（开始还以为就是带机
械开关的电源呢，呵呵）
。上网查阅资料，
学习，尝试，自己终
于制成了一款真正的开关电源。
知识超市
1
、单激式变压器开关电源
变压器开关电源的最大优点是，
变压器可以同时输出多组不同数值
的电压，
改变输出电压和输出电流很容易，
只
需改变变压器的匝数比
和漆包线截面积的大小即可；另外，变压器初、次级互相隔离，不
需
共用同一个地。
因此，
变压器开关电
源也有人把它称为离线式开关电
源。
这里的离线并不是不需要输
入电源，
而是输入电源与输出电源之
间没有导线连接，
完全是通过磁场偶合传输能量。
变压器开关电源采
用变压器把输入输出进行电器隔离的最大好处是，
提高设备的绝缘强
< br>度，降低安全风险，同时还可以减轻
EMI
干扰，并且还容易进行功
率匹配。
<
/p>
变压器开关电源有单激式变压器开关电源和双激式变压器开关
电源
之分，单激式变压器开关电源普遍应用于小功率电子设备之中，
因此，
< br>单激式变压器开关电源应用非常广泛。
而双激式变压器开关电
源一般用于功率较大的电子设备之中，并且电路一般也要复杂一些。
单激式变压器开关电源的缺点是变压器的体积比双激式变压器
开关电源的激式
变压器的体积大，
因为单激式开关电源的变压器的磁
芯只工作在
磁回路曲线的单端，磁回路曲线变化的面积很小。
2
、单片开关电源的简单原理
单片开关电源由于具有单片集成化、
最简外电路、
最佳性能指标、
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，是开关电源的发展
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<
/p>
关电源及电源模块的优选集成电路。
TOP227Y
是
PI
公司
1997
年推出了
TOP
Switch
Ⅱ
系列器件中一
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
C
（
control
）
、源极
S
（
source
）
、漏极
D(drain)
，其内部功率
MOSFET
< br>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。
（
现
在该公司的产品已经出到
TOPSwitch-JX
系列
< br>型号是
TOP264-271
）
TOP227Y
的基本工作原理是利用反馈电流
Ic
来调节占空比
D
，达到稳压目的。如当输出电压
Vo
减小时，
经过反馈电路使得
Ic
降低，
D
增大，
Vo
升高，最终使
Vo
保持不变。
本设计的原理图
如图是用
TOP227Y
芯片设计的单端反激式开关电源的原理图。
输入为
220V AC
（
±<
/p>
15%
）
，输出为
+12VDC
。
由于
TOPSwitch
芯片集成度高，设计工作主要
是外围电路的设
计。外围电路基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馈电路
5
部分。
电路中交流滤波线圈为
10
～
33mH
，采取双
线并绕。整流电路选
择整流桥，
交流电源经过
< br>BR1
和
C2
整流滤波后产生直
流高压，
给高
频变压器的初级绕组供电。高频变压器初级绕组<
/p>
NP
的极性与次级绕
组
< br>NS
、反馈绕组
NF
的极性相反
。在
TOPSwitch
导通时，次级整流
管
VD4
截止，此时电能以磁能量形式存储在初级绕组中；
当
TOPSwitch
截止时，
VD4
导通，
能量传输给次级。
高频变压器在
电路
中兼有能量存储、隔离输出和电压变换这三大功能。
直
流高压
经
初级绕
组加
至
TOPSwitch
的
漏极
上。在功
率
MOSFET
关断瞬间，高频变压器漏感会产生尖峰电压，另外
在初级
绕组上还会产生感应电压
(
即反
向电动势
)
，两者叠加至内部功率开关
管
MOSFET
的漏极上，因此必须在漏极增加钳位保护电路。
钳位电
路由瞬态电压抑制器或稳压管
VR2
和超快恢复二极管
VD1
组成。
V
R2
和
VD1
能将漏感产生的尖峰电压
箝位到安全值。
VR2
采用反向
击穿电
压为
200V
的瞬态电压抑制器
P6K
E200A
，
VD1
选用
1A/600V
的超快恢复二极管
BYV26C
。当
MOSFET
导通时，变压器的初级极
性上端为正，下端为负，从而导致
VD4
截止，因而钳位电路不起作
用。在
MOSFET
截止瞬间，初级极性则变为上负下正，此时尖峰电
压就被
VR2
吸收掉。
次级绕组电压通
过
VD4
、
C9
、
C10
、
L2
和
C12
、
C14
整流滤波，
获得
12V
输出电压
Vo
。
输
出整流滤波电路由整流二极管和滤波电容、
滤波电感构成。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反向恢复损
耗。
由于肖
特基二极管反向恢复时间短，
在降低反向恢复损耗以及消
除输出
电压中的纹波方面有明显的性能优势，
所以选用肖特基二极管
M
UR620CT
作为整流二极管。
对输出滤波电容，
ESR
（等效串联阻
抗）和纹波电流是它的两个
重要参数。当电容两端电压小于
35
V
时，
ESR
只与电容的体积有关
,
可以考虑使用高频低阻电容。
由于手里
没有这样的电容，
我采用两个
电解电容并联降低内阻的办法。<
/p>
输出滤波电感采用的是一个旧的拆机电感，测量大约有
10uH
。
它的作用主动抑制开关噪声的产生。
为减少共模干扰，
在输出的地与
高压侧
的地之间接共模抑制电容，如图中的
C11
。
反馈绕组电压经过
VD2
、
C7
整流滤波后获得
反馈电压，经光耦
合器中的光敏三极管给
TOPSwitch<
/p>
的控制端提供偏压
。输出电压
Vo
通过电阻
R13
、
R15
分压，与
TL431
中的
2.5V
基准电压进行比较后输
出误差电压，然后通过光耦去改变控制端电流。
TOPSwitch
的占空比
D
与
Ic
（控制电流）成反比。反馈电路是通过调节
TOPSwitch
的占空
比实现稳压的。
关于反馈相关参数设计
为使
PWM
线性调节，
一般选
PC817A
二极管正向电流为
3mA
；
TL431
< br>一般选
20mA
即可，
不但可稳
定工作，
又能提供一部分死负载。
设计的取值为：
R12
＝
470Ω
，
R3
＝
150Ω
，<
/p>
R13
＝
38K
，
R15
＝
10K
。
（由
于除了
470
欧的电阻手里没有其他对应阻值，
所以采用两个
30
0
欧并
联代替
R3
，
R15
采用
12K
，
R13
采用
47K
。所以本设计实际输出电
压为
12.29V<
/p>
）
若需增加软起动功能以限制开启电源
时的占空比，使
Vo
平滑地
升高，
应在
U2
的两端并联一只软起动电容，
容量范围为
4.7μF
～
< br>47μF
。
在软起动过程中<
/p>
Vo
是按照一定的斜率升高的，
能对
TOP227Y
起到保
护作用。
改变高频变压器的匝数比和
< br>U2
的稳压值，还可获得其他输出电
压值。
R7
为
12V
输出提供一个
假负载，用以提高轻载时的负载调整
率。其实本设计中可以不用这个
R7
，可以在安装元件时把它换成滤
波电容。
实际制作
PCB
设计
[
小常识
]
开关电源
< br>PCB
排版的要点
1.
旁路瓷片电容器的电容不能太大，而它的寄生串联电感应尽量小，
多个
电容并联能改善电容的阻抗特性；
2.
电感的并联电容应尽量小，电感引脚焊盘之间的距离越远越好；避
免在底层上放置任何
功率或信号走线；
3.
高频环路的面积应尽可能减小；
4.
过孔放置不应破坏高频电流在底层上的路径；
5.
系统板上不同电路需要不同接地层，不同电路
的接地层通过单点与
电源接地层相连接；
6.
控制芯片至上端和至下端场效应管的的驱动电路环路要尽量短；
7.
开关电源功率电路和控制信号电路元器件需要连
接道不同的接地
层，这两个地层一般都是通过单点相连接。
利用感光板制作
正在腐蚀中
... ...
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