單片開關電源的工作原理及效率研究(Topswitch系列芯片)

本文通過分析單片開關電源的工作原理和影響其效率的主要因素，提出了提高單片開關電源效率的主要方法，指出了正確確定初、次級電路元件，正確設計高頻變壓器并使其具有高質量指標是其關鍵因素。本文的分析及結論可用于指導高效單片開關電源的設計。
近20多年來，集成開關電源一直在沿著兩個方向不斷發展。第一是對開關電源的核心單元——控制電路實現集成化。第二個方向則是對中、小功率開關電源實現單片集成化。單片開關電源集成電路具有高集成度、高性價比、最簡單的外圍電路、最佳的性能指標、能構成高效率無工頻變壓器的隔離式開關電源等優點。目前已成為國際上開發中、小功率開關電源、精密開關電源、特種開關電源及電源模塊的優選集成電路。目前，單片開關電源已形成了幾十個系列、數百種產品。然而開關效率始終是一個眾人關注的問題。本文就此問題提出了一點自己的看法。 1 Topswitch芯片在開關電源中的應用70年代以來，電源產品掀起了一波高頻化、小型化、模塊化的浪潮。從而有力地促進了單片開關電源的發展。對于200W以下的開關電源，與其他電路相比，應用Topswitch系列器件的電路相對簡捷，體積小，重量輕，自保護功能齊全，設計方便。另外，TOPSwitch器件不必另設散熱器，也節省了成本。其內部的PWM控制器和MOSFET功率開關管是在管殼內連接的，連線極短，這就消除了高頻輻射，改善了電源的電磁兼容性能，減小了器件對電路板布局和輸入總線的瞬變要求。

TOPSwitch-Ⅱ是TOPSwitch的改進型號，與第一代產品相比，該器件在性能上有了很大改進。它將單電壓輸入時的最大功率從100W提高到150W，電磁兼容性也得到了增強，而且具有更高的性能價格比，并使電源的體積和重量大為減小。由于它是將700 V的功率MOSFET、晶振、高壓開關電流源、限流和熱關斷電路集成于一體，并以其突破性的設計提供了一種高效率開關電源的設計方案，因而是具有偏置和自保護、電流線性占空比的變換器，該器件采用漏極開路輸出。

第三代TOPSwitch-FX系列是一種五端單片開關電源集成電路，它采用了“跳過周期”等新技術。如果開關電源的負載非常輕，以至于開關電源在最小占空比(Dmin=1.5%)之下所提供的輸出功率仍然超過負載功耗時，TOPSwitch—FX就采用跳過周期的工作方式來進一步降低輸出功率，同時提高輕載時電壓的穩定性。此方式可等效為先將占空比固定在1.5%(或更低值)上，然后用脈沖頻率調制(PFM)方式調節輕載時的U0值。這樣，根據負載的變化情況，開關電源能在正常工作和跳過周期方式之間自動轉換，而無須其它控制。如不需要跳過周期，可在電源輸出端接上最小負載RLmin，并使D大于Dmin為1.5%的占空比。采用跳過周期模式不僅能獲得極低的輸出功率，而且還能減小噪聲電壓。

TOPSwitch-GX為第四代產品。它采用與TOPSwitch相同的拓撲電路來將高壓功率MOS-FET、脈寬調制(PWM)控制器、故障自動保護和其它控制電路集成到單片CMOS芯片中，并將工作頻率提高到132 kHz，同時也拓展了TOP-Switch系列的功率范圍，將單電壓輸入時的最大功率提高到250 W。此外，它還集成了多項新功能，因此有效地降低了系統成本，提高了設計的靈活性、以及功能和效能。

2 影響單片開關電源效率的主要因素

TOPSwitch系列芯片作為單片開關電源的一部分，對電源效率有著一定的影響。圖1所示是以ST204A型單片開關電源模塊的內部電路。實際上，圖中電源的大部分功率損耗是由TOP204Y、鉗位二極管(VDZ)、輸出整流管(VD2)、共模扼流圈(L2)、整流橋(BR)、高頻變壓器(T)及輸入電容(C1)、輸出電容(C2)等產生的。它們也是影響電源效率的主要因素。

3 提高單片開關電源效率的方法

3.1 正確確定初級電路元器件

(1)輸入整流橋(BR)的選擇

選擇具有較大容量的整流橋并使之工作在較小的電流下，可減小整流橋的壓降和功率損耗，提高電源效率。由二極管構成的整流橋(BR)的標稱電源電流IN應大于在輸入電壓為最小值(Umin)時的初級有效電流，功率因數應取0.6～0.8之間，其具體數值取決于輸入電壓u和輸入阻抗。

(2)輸入濾波電容(C1)

輸入濾波電容C1用于濾除輸入端引入的高頻干擾，C1的選擇主要是正確估算其電容量。通常輸入電壓U1增加時，每瓦輸出功率所對應的電容量可減小。

(3)鉗位二級管(VDZ)的選擇

鉗位電路主要用來限制高頻變壓器漏感所產生的尖峰電壓并減小漏極產生的振鈴電壓。在圖1所示的單片開關電源模塊電路中，輸入鉗位保護電路由VDZ和VD1構成。為降低其損耗，VDZ可選用P6KE200型瞬變電壓抑制二極管;VD1則選用BYV 26C型快恢復二極管。

(4)交流輸入端電磁干擾濾波器(EMI)

C6能濾除輸入端脈動電壓所產生的串模干擾，L2則可抑制初級線圈中的共模干擾。

(5)限流保護電路

為限制通電瞬間的尖峰電流，可在輸入端接入具有負溫度系數的熱敏電阻(NTC)。選擇該電阻時應使之工作在熱狀態(即低阻態)，以減小電源電路中的熱損耗

(6)輸出整流管(VD2)

正確選擇輸出整流管VD2可以降低電路損耗，提高電源效率。其方法一是選用肖特基整流管，原因是其正向傳輸損耗低，且不存在快恢復整流管的反向恢復損耗;二是將開關電源設計成連續工作模式，以減小次級的有效值電流和峰值電流。輸出整流管的標稱電流應為輸出直流電流額定值的3倍以上。

(7)輸出濾波電容(C2)

電源工作時，輸出濾波電容(C2)上的脈動電流通常很大。一般在固定負載情況下，通過C2的交流標稱值IC2曉必須滿足下列條件：

IC2=(1.5～2) IR1

式中，IR1是輸出濾波電容C2上的脈動電流。

設輸出端負載為純電阻性R1，那么，R1C2愈大，則C2放電愈慢，輸出波形愈平坦。也就是說，在R1一定的情況下，C2愈大，輸出直流電壓愈平滑。

設計時應確保高頻變壓器有合理的結構，同時應保證其具有較低的直流損耗和交流損耗且漏感小，線圈本身的分布電容及各線圈之間的耦合電容也要足夠小。為達到上述目標，最主要的是要正確確定磁芯的形狀、尺寸、磁芯材料以及線圈的繞制方法等。

(1)降低高頻變壓器的直流損耗

交流損耗是由高頻電流的趨膚效應以及磁芯損耗引起的。趨膚效應會使導線的有效流通面積減小，并使導線的交流等效阻抗遠高于銅電阻。由于高頻電流對導線的穿透能力與開關頻率的平方根成反比。為了減小交流銅損耗，其導線半徑不得超過高頻電流可達深度的兩倍。事實上，在根據開關頻率確定導線直徑φ后，實際制作時應用比φ更細的導線多股并繞而不是用一根粗導線繞制。

(2)減小線圈的分布電容

在開關電源的每個通、斷轉換期間，線圈分布電容將反復充、放電，這樣，其上的能量被吸收將使電源效率降低。此外，分布電容與線圈的分布電感也會構成LC振蕩回路，并產生振蕩噪聲。對于初級線圈的分布影響，可以采取如下措施來減小線圈的分布電容：一是盡量減小每匝導線的長度;二是將初級線圈的始端接漏極;三是在初級線圈之間加絕緣層。

(3)減小漏感

因為漏感愈大，產生的尖峰電壓幅度愈高;而初級尖峰電壓幅度愈高，初級鉗位電路的損耗就愈大，從而將導致電源效率降低。所以，在設計高頻變壓器時，必須把漏感減至最小。對于低損耗的高頻變壓器，其漏感量應是開路時初級電感量的減小漏感的措施有減小初級線圈的匝數、增大線圈的寬度、增加線圈尺寸的高度與寬度之比、減小線圈之間的絕緣層以及增加線圈之間的耦合程度等。