基于TOP249Y芯片的开关电源设计
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增大字体摘要：介绍了一种采用TOP249Y智能控制集成芯片设计的开关电源的方法，同时介绍了TOP249Y芯片的内部结构及工作原理，给出了基于TOP249Y的单端反激式开关电源的设计电路，并对外围电路的设计进行了分析说明。
关键词：开关电源；TOP249Y；脉宽调制；TOP Switch
１ 引言
随着ＰＷＭ技术的不断发展和完善，开关电源得到了广泛的应用，以往开关电源的设计通常采用控制电路与功率管相分离的拓扑结构，但这种方案存在成本高、系统可靠性低等问题。美国功率集成公司ＰＯＷＥＲ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ Ｉｎｃ开发的ＴＯＰ Ｓｗｉｔｃｈ系列新型智能高频开关电源集成芯片解决了这些问题，该系列芯片将自启动电路、功率开关管、ＰＷＭ控制电路及保护电路等集成在一起，从而提高了电源的效率，简化了开关电源的设计和新产品的开发，使开关电源发展到一个新的时代。文中介绍了一种用ＴＯＰ Ｓｗｉｔｃｈ的第三代产品ＴＯＰ２４９Ｙ开发变频器用多路输出开关电源的设计方法。
２ ＴＯＰ２４９Ｙ引脚功能和内部结构
２．１ ＴＯＰ２４９Ｙ的管脚功能
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ＴＯＰ２４９Ｙ采用ＴＯ－２２０－７Ｃ封装形式，其外形如图１所示。它有六个管脚，依次为控制端Ｃ、线路检测端Ｌ、极限电源设定端Ｘ、源极Ｓ、开关频率选择端Ｆ和漏极Ｄ。各管脚的具体功能如下：
控制端Ｃ：误差放大电路和反馈电流的输入端。在正常工作时，利用控制电流ＩＣ的大小可调节占空比，并可由内部并联调整器提供内部偏流。系统关闭时，利用该端可激发输入电流，同时该端也是旁路、自动重启和补偿电容的连接点。
线路检测端Ｌ：输入电压的欠压与过压检测端，同时具有远程遥控功能。ＴＯＰ２４９Ｙ的欠压电流ＩＵＶ为５０μＡ，过压电流Ｉａｖ为２２５μＡ。若Ｌ端与输入端接入的电阻Ｒ１为１ＭΩ，则欠压保护值为５０ＶＤＣ，过压保护值为２２５ＶＤＣ。
极限电流设定端Ｘ：外部电流设定调整端。若在Ｘ端与源极之间接入不同的电阻，则开关电流可限定在不同的数值，随着接入电阻阻值的增大，开关允许流过的电流将变小。
源极Ｓ：连接内部ＭＯＳＦＥＴ的源极，是初级电路的公共点和电源回流基准点。
开关频率选择端Ｆ：当Ｆ端接到源极时，其开关频率为１３２ｋＨｚ，而当Ｆ端接到控制端时，其开关频率变为原频率的一半，即６６ｋＨｚ。
漏极Ｄ：连接内部ＭＯＳＦＥＴ的漏极，在启动时可通过内部高压开关电流提供内部偏置电流。
２．２ ＴＯＰ２４９Ｙ的内部结构
ＴＯＰ２４９Ｙ的内部工作原理框图如图２所示，该电路主要由控制电压源、带隙基准电压源、振荡器、并联调整器／误差放大器、脉宽调制器（ＰＷＭ）、门驱动级和输出级、过流保护电路、过热保护电路、关断／自动重起动电路及高压电流源等部分组成。
３ 基于ＴＯＰ２４９Ｙ的开关电源设计
笔者利用ＴＯＰ２４９Ｙ设计了一种新型多路输出开关电源，其三路输出分别为５Ｖ／１０Ａ、１２．５Ｖ／４Ａ、７Ｖ／１０Ａ，电路原理如图３所示。该电源设计的要求为：输入电压范围为交流１１０Ｖ～２４０Ｖ，输出总功率为１８０Ｗ。由此可见，选择ＴＯＰ２４９Ｙ能够满足要求。
３．１ 外围控制电路设计
该电路将Ｘ与Ｓ端短接可将ＴＯＰ２４９Ｙ的极限电流设置为内部最大值；而将Ｆ端与Ｓ端短接可将ＴＯＰ２４９Ｙ设为全频工作方式，开关频率为１３２ｋＨｚ。
图2
在线路检测端Ｌ与直流输入Ｕｉ端连接一２ＭΩ的电阻Ｒ１可进行线路检测，由于ＴＯＰ２４９Ｙ的欠压电流ＩＵＶ为５０μＡ，过压电流Ｉａｖ为２２５μＡ，因此其欠压保护工作电压为１００Ｖ，过压保护工作电压为４５０Ｖ，即ＴＯＰ２４９Ｙ在本电路中的直流电压范围为１００～４５０Ｖ，一旦超出了该电压范围，ＴＯＰ２４９Ｙ将自动关闭。
３．２ 稳压反馈电路设计
反馈回路的形式由输出电压的精度决定，本电源采用“光耦＋ＴＬ４３１”，它可以将输出电压变化控制在±１％以内，反馈电压由５Ｖ／１２Ａ输出端取样。电压反馈信号Ｕ０通过电阻分压器Ｒ９、Ｒ１１获得取样电压后，将与ＴＬ４３１中的２．５Ｖ基准电压进行比较并输出误差电压，然后通过光耦改变ＴＯＰ２４９Ｙ的控制端电流ＩＣ，再通过改变占空比来调节输出电压Ｕ０使其保持不变。光耦的另一作用是对冷地和热地进行隔离。反馈绕组的输出电压经Ｄ２、Ｃ２整流滤波后，可给光耦中的接收管提供电压。Ｒ４、Ｃ４构成的尖峰电压经滤波后可使偏置电压即使在负载较重时，也能保持稳定，调节电阻Ｒ６可改变输出电压的大小。
３．３ 高频变压器设计
由于该电源的输出功率较大，因此高频变压器的漏感应尽量小，一般应选用能够满足１３２ｋＨｚ开关频率的锰锌铁氧体，为便于绕制，磁芯形状可选用ＥＩ或ＥＥ型，变压器的初、次级绕组应相间绕制。
高频变压器的设计由于要考虑大量的相互关联变量，因此计算较为复杂，为减轻设计者的工作量，美国功率公司为ＴＯＰ Ｓｗｉｔｃｈ开关电源的高频变压器设计制作了一套ＥＸＣＥＬ电子表格，设计者可以方便地应用电子表格设计高频变压器。
３．４ 次级输出电路设计
输出整流滤波电路由整流二极管和滤波电容构成。整流二极管选用肖特基二极管可降低损耗并消除输出电压的纹波，但肖特基二极管应加上功率较大的散热器；电容器一般应选择低ＥＳＲ等效串联阻抗的电容。为提高输出电压的滤波效果，滤除开关所产生的噪声，在整流滤波环节的后面通常应再加一级ＬＣＣ滤波环节。
３．５ 保护电路设计
本电源除了电源控制电路ＴＯＰ２４９Ｙ本身所具备的欠压、过压、过热、过流等保护措施外，其外围控制电路也应有一定的保护措施。用Ｄ３、Ｒ１２、Ｑ１可构成一个５．５Ｖ的过压检测保护电路。这样，当５Ｖ输出电压超过５．５Ｖ时，Ｄ３击穿使Ｑ１导通，从而使光耦电流增大，进而增大了控制电路ＴＯＰ２４９Ｙ的控制端电流ＩＣ，最后通过内部调节即可使输出电压下降到安全值。
图3
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作者：佚名
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