基于TopswitchⅡ芯片開關(guān)電源理論設(shè)計(jì)與仿真

　　摘要：介紹了開關(guān)電源的基本原理，以及TopswitchⅡ型開關(guān)芯片的結(jié)構(gòu)，探討了基于該芯片小功率通用開關(guān)電源的設(shè)計(jì)過(guò)程中開關(guān)管的選型，主要元件參數(shù)的計(jì)算等問(wèn)題。最后通過(guò)仿真試驗(yàn)，對(duì)電源的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行了認(rèn)證。

　　引言

　　直流穩(wěn)壓電源是現(xiàn)代電力電子系統(tǒng)中的重要組成部分，好的直流電源系統(tǒng)是高質(zhì)量現(xiàn)代電子系統(tǒng)的重要保證。開關(guān)電源本身種類繁多，設(shè)計(jì)方法也復(fù)雜多樣，因此研究一種簡(jiǎn)潔的方法去快速設(shè)計(jì)出所需要的通用型高效率，低廉價(jià)格的開關(guān)電源是很有必要的。

　　1 開關(guān)電源工作原理

　　開關(guān)直流穩(wěn)壓電源是基于方波電壓的平均值與其占空比成正比以及電感、電容電路的積分特性而形成的。其基本工作原理是，先對(duì)輸入交流電壓整流，從而形成脈動(dòng)直流電壓，經(jīng)過(guò)DC-DC 變換電路變壓，再通過(guò)斬波電路形成了不同脈沖寬度的高頻交流電，然后對(duì)其整流濾波輸出需要電壓電流波形。如果輸出電壓波形偏離所需值，便有電流或電壓采樣電路進(jìn)行取樣反饋，經(jīng)過(guò)與比較電路的電壓值進(jìn)行參數(shù)比較，把差值信號(hào)放大，從而控制開關(guān)電路的脈沖頻率f 和占空比D，以此來(lái)控制輸出端的導(dǎo)通狀態(tài)。因此，輸出端便可以得到所需的電壓電流值。

　　如圖1， 將開關(guān)電源模塊劃分為以下幾個(gè)部分。

　　根據(jù)電力系統(tǒng)的實(shí)際需要，通過(guò)對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行分析，便可以設(shè)計(jì)出相應(yīng)的開關(guān)電源產(chǎn)品。

　　圖1 開關(guān)電源原理框圖。

　　2 TopswitchⅡ簡(jiǎn)介

　　TOPSwitch Ⅱ是POWER 公司生產(chǎn)的高集成的用于開關(guān)電源的專用芯片。它將功率開關(guān)管與其控制電路集成于一個(gè)芯片內(nèi)，并具有自動(dòng)復(fù)位，過(guò)熱保護(hù)與過(guò)流保護(hù)等功能，其功能原理圖如圖2 所示。當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，D 引腳變?yōu)楦唠娢唬瑑?nèi)部電流源開始工作且片內(nèi)開關(guān)在0 位，TOPSwitch 給并接在C 引腳的電容C5（見圖2） 充電。當(dāng)C5 端電壓達(dá)到5.7 V 后，自動(dòng)重起電路關(guān)閉，片內(nèi)開關(guān)跳到1 位。C5 一方面提供TOPSwitch 內(nèi)部控制電路的電源，使誤差放大器開始工作，另一方面提供一反饋電流以控制開關(guān)管的占空比。MOSFET 開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由內(nèi)部振蕩電路、保護(hù)電路和誤差放大電路共同產(chǎn)生。C5 兩端的電壓愈高，MOSFET 開關(guān)管驅(qū)動(dòng)脈沖的占空比愈小。

　　3 TOPSwitch 芯片的選型

　　在設(shè)計(jì)開關(guān)電源時(shí)，首先就要面臨如何選擇合適的開關(guān)電源控制芯片。在選擇芯片的時(shí)候，要既能滿足要求，又不因?yàn)檫x型造成資源的浪費(fèi)。下面就介紹利用TopswitchⅡ系列開關(guān)電源的功率損耗（ PD ） 與電源效率（η），輸出功率（ Po ） 關(guān)系曲線，快速選擇芯片的型號(hào)，從而完成寬范圍輸入的通用開關(guān)電源的設(shè)計(jì)。

　　圖2 TOPSwitch芯片內(nèi)部原理圖。