摘要：單片開關電源是國際上90年代才開始流行的新型開關電源晶片。本文闡述其快速設計方法。
關鍵詞：單片開關電源快速設計
topswith? ⅱ
the way of quick design for single? chip switching power supply abctract:three? ends single? chip switching power supply is new type switching power supply core which has been popular since paper introduces quick design for single? chip switching power supply.
keywords:single? chip switching power supply,quick design,topswith? ⅱ
在設計開關電源時，首先面臨的問題是如何選擇合適的單片開關電源晶片，既能滿足要求，又不因選型不當而造成資源的浪費。然而，這並非易事。原因之一是單片開關電源現已形成四大系列、近70種型號，即使採用同一種封裝的不同型號，其輸出功率也各不相同；原因之二是選擇晶片時，不僅要知道設計的輸出功率po，還必須預先確定開關電源的效率η和晶片的功率損耗pd，而後兩個特徵引數只有在設計安裝好開關電源時才能測出來，在設計之前它們是未知的。
下面重點介紹利用topswitch－ii系列單片開關電源的功率損耗（pd）與電源效率（η）、輸出功率（po）關係曲線，快速選擇晶片的方法，可圓滿解決上述難題。在設計前，只要根據預期的輸出功率和電源效率值，即可從曲線上查出最合適的單片開關電源型號及功率損耗值，這不僅簡化了設計，還為選擇散熱器提
η/％(uimin=85v)
中圖法分類號：tn86文獻標識碼：a文章編碼：0219?2713(2000)09?488?05
po/w
圖1寬範圍輸入且輸出為5v時pd與η，po的關係曲線
圖2寬範圍輸入且輸出為12v時pd與η，po的關係曲線
圖3固定輸入且輸出為5v時pd與η，po的關係曲線
供了依據。
1topswitch－ii的pd與η、po關係曲線
topswitch－ii系列的交流輸入電壓分寬範圍輸入（亦稱通用輸入），固定輸入（也叫單一電壓輸入）兩種情況。二者的交流輸入電壓分別為ui=85v～265v，230v±15％。
1．1寬範圍輸入時pd與η，po的關係曲線
top221～top227系列單片開關電源在寬範圍輸入（85v～265v）的條件下，當uo=＋5v或者＋12v時，pd與η、po的關係曲線分別如圖1、圖2所示。這裡假定交流輸入電壓最小值uimin=85v，最高
η/％(uimin=85v)
η/％(uimin=195v)
交流輸入電壓uimax=265v。圖中的橫座標代表輸出功率po，縱座標表示電源效率η。所畫出的7條實線分別對應於top221～top227的電源效率，而15條虛線均為晶片功耗的等值線（下同）。
1．2固定輸入時pd與η、po的關係曲線
top221～top227系列在固定交流輸入（230v±15％）條件下，當uo=＋5v或＋12v時，pd與η、po的關係曲線分別如圖3、圖4所示。這兩個曲線族對於208v、220v、240v也同樣適用。現假定uimin=195v,uimax=265v。
2正確選擇topswitch－ii晶片的方法
利用上述關係曲線迅速確定topswitch－ii晶片型號的設計程式如下：
（1）首先確定哪一幅曲線圖適用。例如，當ui=85v～265v，uo=＋5v時，應選擇圖1。而當ui=220v(即230v－230v×4.3％)，uo=＋12v時，就只能選圖4；
（2）然後在橫座標上找出欲設計的輸出功率點位置（po）；
（3）從輸出功率點垂直向上移動，直到選中合適晶片所指的那條實曲線。如不適用，可繼續向上查詢另一條實線；
（4）再從等值線（虛線）上讀出晶片的功耗pd。進而還可求出晶片的結溫（tj）以確定散熱片的大小；
（5）最後轉入電路設計階段，包括高頻變壓器設計，外圍元器件引數的選擇等。
下面將通過3個典型設計例項加以說明。
例1：設計輸出為5v、300w的通用開關電源
通用開關電源就意味著交流輸入電壓範圍是85v～265v。又因uo=＋5v，故必須查圖1所示的曲線。首先從橫座標上找到po=30w的輸出功率點，然後垂直上移與top224的實線相交於一點，由縱座標上查出該點的η=71.2％，最後從經過這點的那條等值線上查得pd=2.5w。這表明，選擇top224就能輸出30w功率，並且預期的電源效率為71.2％,晶片功耗為2.5w。
若覺得η=71.2％的效率指標偏低，還可繼續往上查詢top225的實線。同理，選擇top225也能輸出30w功率，而預期的電源效率將提高到75％，晶片功耗降至1.7w。
根據所得到的pd值，進而可完成散熱片設計。這是因為在設計前對所用晶片功耗做出的估計是完全可信的。
例2：設計交流固定輸入230v±15％，輸出為直流12v、30w開關電源。
圖4固定輸入且輸出為12v時pd與η，po的關係曲線
η/％(uimin=195v)
圖5寬範圍輸入時k與uimin′的關係
圖6固定輸入時k與uimin′的關係
根據已知條件，從圖4中可以查出，top223是最佳選擇，此時po=30w，η=85.2％，pd=0.8w。
例3：計算topswitch－ii的結溫
這裡講的結溫是指管芯溫度tj。假定已知從結到器件表面的熱阻為rθa(它包括topswitch－ii管芯到外殼的熱阻rθ1和外殼到散熱片的熱阻rθ2)、環境溫度為ta。再從相關曲線圖中查出pd值，即可用下式求出晶片的結溫：
tj=pd·rθa＋ta(1)
舉例說明，top225的設計功耗為1.7w，rθa=20℃/w，ta=40℃，代入式（1）中得到tj=74℃。設計時必須保證，在最高環境溫度tam下，晶片結溫tj低於100℃，才能使開關電源長期正常工作。
3根據輸出功率比來修正等效輸出功率等引數
3．1修正方法
如上所述，pd與η，po的關係曲線均對交流輸入電壓最小值作了限制。圖1和圖2規定的uimin=85v，而圖3與圖4規定uimin=195v（即230v－230v×15％）。若交流輸入電壓最小值不符合上述規定，就會直接影響晶片的正確選擇。此時須將實際的交流輸入電壓最小值uimin′所對應的輸入功率po′，折算成uimin為規定值時的等效功率po，才能使用上述4圖。折算係數亦稱輸出功率比（po′/po）用k表示。topswitch－ii在寬範圍輸入、固定輸入兩種情況下，k與u′min的特性曲線分別如圖5、圖6中的實線所示。需要說明幾點：
（1）圖5和圖6的額定交流輸入電壓最小值uimin依次為85v，195v，圖中的橫座標僅標出ui在低端的.電壓範圍。
（2）當uimin′>uimin時k>1，即po′>po，這表明原來選中的晶片此時已具有更大的可用功率，必要時可選輸出功率略低的晶片。當uimin′ 現將對輸出功率進行修正的工作程式歸納如下： （1）首先從圖5、圖6中選擇適用的特性曲線，然後根據已知的uimin′值查出折算係數k。 （2）將po′折算成uimin為規定值時的等效功率po，有公式 po=po′/k（2） （3）最後從圖1～圖4中選取適用的關係曲線，並根據po值查出合適的晶片型號以及η、pd引數值。 下面通過一個典型的例項來說明修正方法。 例4：設計12v，35w的通用開關電源 已知uimin=85v，假定uimin′=90％×115v=103.5v。從圖5中查出k=1.15。將po′=35w、k=1.15一併代入式（2）中，計算出po=30.4w。再根據po值，從圖2上查出最佳選擇應是top224型晶片，此時η=81.6％，pd=2w。 若選top223，則η降至73.5％,pd增加到5w，顯然不合適。倘若選top225型，就會造成資源浪費，因為它比top224的價格要高一些，且適合輸出40w～60w的更大功率。 3．2相關引數的修正及選擇 （1）修正初級電感量 在使用topswitch－ii系列設計開關電源時，高頻變壓器以及相關元件引數的典型情況見表1，這些數值可做為初選值。當uimin′ 查表1可知，使用top224時，lp=1475μh。當k=1.15時，lp′=1.15×1475=1696μh。 表2光耦合器引數隨uimin′的變化 （2）對其他引數的影響 當uimin的規定值發生變化時，topswitch－ii的佔空比亦隨之改變，進而影響光耦合器中的led工作電流if、光敏三極體發射極電流ie也產生變化。此時應根據表2對if、ie進行重新調整。 topswitch－ii獨立於ui、po的電源引數值，見表3。這些引數一般不受uimin變化的影響。 表3獨立於ui、po的電源引數值 （3）輸入濾波電容的選擇