TOPSwitch Ⅱ在稳压电源中的应用
在进行电路和单片机实验时，实验稳压电源是必需的设备之一，对这类稳压电源，功率容量并不要求很大，但要有多组输出电压，其中最好有一组输出电压能够连续可调，以适应不同场合的需要。市售的实验稳压电源种类很多，但基本上都是采用工频线性稳压方式。其优点是简单、易制造、价格低，缺点是体大笨重和效率低。采用高频开关电源是克服上述缺点的有效途径，但一般的高频开关电源电路复杂，元器件较多，制作成本也会有所提高，所以目前在实验稳压电源中采用高频开关技术的仍不多见。然而采用topswitch等新型器件制作的高频开关电源，电路可以做得和工频线性稳压电源一样简单，性能很优越，效率却远高于后者，而成本也不会有明显的增加。
topswitch器件是美国功率集成公司(powerintegrationsinc)，于90年代中期推出的新型高频开关电源芯片。它是三端脱线式pwm开关的英文缩写(three?terminaloff?linepwmswitch)。它的特点是将高频开关电源中的pwm控制器和mosfet功率开关管集成在同一芯片上，是一种二合一器件。这大大简化了电源电路，提高了可靠性，使得电源的设计更加简单快捷。topswitch器件有多种封装形式，采用dip-8和smd-8封装的，中间4只为空脚，可以将它们接到印刷电路板的铜箔上，将芯片产生的热量直接传到印刷电路板上，不必另设散热器，节省了成本。采用to220封装的，只有3只管脚，使用起来就和一只大功率三极管一样便利。此外由于pwm控制器和mosfet功率开关管是在管壳内连接的，连线极短，这就消除了高频辐射现象，改善了电源的电磁兼容性能，减小了器件对电路板布局和输入总线瞬变的要求。topswitch-ii是topswitch的改进型号，它将单电压输入时的最大功率100w提高到150w，电磁兼容性也得到增强，该器件具有更高的性能价格比。topswitch-ii器件包括top225-top227等几个型号，主要差别就在于输出功率的不同。topswitch?ii器件的内部电路与性能分别见图1和表1所示。
图1 topswitch-ⅱ系列器件内部结构图
表1 topswitch-ⅱ的产品分类及最大输出功率pom
2 工作原理
该电源电路拓扑为单端反激式，电路原理见图2所示。220v市电经电源噪声滤波器lf后再通过桥式整流器直接整流。电源滤波器的作用一方面是滤除由电网传来的杂波电压，净化输入电源，另一方面也阻止高频开关电源的振荡电压窜入电网，干扰其它电器。现在很多电源设计不重视电源滤波器的选择，一些中小功率的高频开关电源往往不加电源滤波器，这样不仅降低了电源本身的抗干扰能力，影响其工作稳定性，而且也造成对公共电网的污染。市电经整流和电容滤波后，变成308v的直流电压供给topswitch-ii器件，topswitch-ii构成dc/dc变换器，它将输入的直流高压变成脉宽可调的高频脉冲电压，经高频变压器降压后再进行半波整流和滤波，变成所需要的直流电压输出。r1、c1、vd1组成缓冲吸收电路，吸收功率器件在关断过程中由于变压器漏感产生的电压尖峰过冲，电路的工作频率为100khz，振荡元件已固化在器件内部，高频变压器的次级有4个绕组，其中的5v/3a绕组n3控制topswitch-ii器件的脉宽，即这一组输出电压为pwm稳压，由并联可编程稳压器tl431和光电耦合器pc及分压电阻r7、r8完成取样反馈工作。之所以选择这一绕组进行脉宽控制，是因为它的输出电压低电流大，更能体现出开关电源的优越性。为了实现对光耦的隔离供电，变压器单设了一个辅助绕组n2。±12v/0.5a绕组n4及n5采用集成三端稳压器lm7812和lm7912进行线性稳压，因输出电流不大，功耗较低，散热问题容易解决。次级中还有一个1.25v～30v/1.5a的可调绕组n6，采用了可调三端稳压器lm317进行线性稳压和调压，为了克服线性稳压在低压输出时，功耗大和效率低的缺点，此绕组设置了高、低两个抽头，抽头的变换由继电器自动切换，切换电压设在15v，由tl431取样。当要求输出电压低于15v时，tl431的参考输入端的电压低于2.5v，tl431截止，继电器k不吸合，低压绕组被接通。反之，当要求输出电压高于15v时，tl431的参考输入端的电压高于2.5v，tl431导通，继电器吸合，高压绕组被接通。电压表pv指示输出电压的数值。
图2 稳压电源原理图
topswitch-ii器件型号的选择
本电源总输出功率为各组输出功率之和：
po=5×3+12×2×0.5+30×1.5=72w
若电源总的效率为80%，则电源输入的总功率应为：
pi=po/80%=72/0.8=90w
从表1可以看出，在220v单一电压条件下，top225y的最大输出功率为100w，能够满足本电路要求。
3高频变压器的设计
在制作单端反激式高频开关电源时，高频变压器的设计与计算是至关重要的，其工作量也是比较大的。
假定交流输入电压的范围是180v～260v，整流器压降和输出电压纹波为22v，最大占空比为dmax=0.5，则
k=uimax/uimin=364/230=1.58
dmin=dmax/[(1-dmax)k+dmax]=0.5/[(1-0.5)×1.58+0.5]=0.38
ip=2po/(uimin×dmax)=2×90/(230×0.5)=1.57a
(1)变压器初级电感量
lp=uimin×dmax/(ip×f)=230×0.5/(1.57×100×103)=0.73mh
选择南京conda公司的pq32/30磁芯、lp3材料、al=1.61、磁通密度b=0.39t，变压器工作在单端状态，最大工作磁通
bmax=b/2=0.39/2=0.19t
为避免出现磁饱和现象，变压器磁芯要留有空气隙，其长度
lg=0.4×π×lp×ip2/(al×b2max)=0.4×3.14×0.73×10-3×1.572/(1.61×0.192)=0.04cm
(2)变压器初级匝数n1
n1=lp×ip×104/(al×bmax)=0.73×10-3×1.57×104/1.61×0.19=38匝(取整)
(3)5v绕组匝数n3
n3=n1(uo+ud)(1-dmax)/(uimin×dmax)=38×(8+1)(1-0.5)/(230×0.5)=1匝(取整)
(4)±12v绕组匝数n4、n5
n4=n5=n1(uo+ud)(1-dmax)/(uimin×dmax)=38×(15+1)×(1-0.5)/(230×0.5)=3匝(取整)
(5)反馈绕组匝数n2=n4=n5
(6)1.25v～30v可调绕组匝数n6
n6=n1(uo+ud)(1-dmax)/(uimin×dmax)=38×(33+1)(1-0.5)/(230×0.5)=6匝(取整)
在3匝处抽头
上述计算匝数各公式中的uo为输出电压(取额定输出电压+稳压器压降3v)，ud为快恢复二极管压降，取1v。
采用高强度漆包线绕制，各绕组所用漆包的线径如下：
n1用?0.71mm
n2、n4、n5用?0.42mm
n3用?0.99mm
n6用?0.72mm
5v绕组的输出滤波电感线圈l1选?4cm磁环，用?1.0mm漆包线穿绕15匝。
高、低压切换继电器用jzc22f，dc12v/10a，电压表的型号为85c1、表盘刻度0～30v。
高频变压器的计算过程是很繁琐的，要考虑大量相互关联的设计变量，费力耗时。为减轻设计者负担，美国功率集成公司特为topswitch器件设计了一套excel电子表格，可以在pc机上运行。应用电子表格设计电源，简单快捷，一般只要10分钟左右即可完成。中国电源学会1999年第13届年会上，曾有一篇论文，专门介绍了excel电子表格，读者可参阅该文，这里不再赘述。
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n3用?0.99mm
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