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基于TOP249Y芯片的開關電源設計
摘要：介紹了一種采用TOP249Y智能控制集成芯片設計的開關電源的方法，同時介紹了TOP249Y芯片的內部結構及工作原理，給出了基于TOP249Y的單端反激式開關電源的設計電路，并對外圍電路的設計進行了分析說明。關鍵詞：開關電源；TOP249Y；脈寬調制；TOP Switch
１ 引言
隨著ＰＷＭ技術的不斷發展和完善，開關電源得到了廣泛的應用，以往開關電源的設計通常采用控制電路與功率管相分離的拓撲結構，但這種方案存在成本高、系統可靠性低等問題。美國功率集成公司?ＰＯＷＥＲ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ Ｉｎｃ?開發的ＴＯＰ Ｓｗｉｔｃｈ系列新型智能高頻開關電源集成芯片解決了這些問題，該系列芯片將自啟動電路、功率開關管、ＰＷＭ控制電路及保護電路等集成在一起，從而提高了電源的效率，簡化了開關電源的設計和新產品的開發，使開關電源發展到一個新的時代。文中介紹了一種用ＴＯＰ Ｓｗｉｔｃｈ的第三代產品ＴＯＰ２４９Ｙ開發變頻器用多路輸出開關電源的設計方法。
２ ＴＯＰ２４９Ｙ引腳功能和內部結構
２．１ ＴＯＰ２４９Ｙ的管腳功能(范文先生網www.ycxgx.cn收集整理)
ＴＯＰ２４９Ｙ采用ＴＯ－２２０－７Ｃ封裝形式，其外形如圖１所示。它有六個管腳，依次為控制端Ｃ、線路檢測端Ｌ、極限電源設定端Ｘ、源極Ｓ、開關頻率選擇端Ｆ和漏極Ｄ。各管腳的具體功能如下：
控制端Ｃ：誤差放大電路和反饋電流的輸入端。在正常工作時，利用控制電流ＩＣ的大小可調節占空比，并可由內部并聯調整器提供內部偏流。系統關閉時，利用該端可激發輸入電流，同時該端也是旁路、自動重啟和補償電容的連接點。
線路檢測端Ｌ：輸入電壓的欠壓與過壓檢測端，同時具有遠程遙控功能。ＴＯＰ２４９Ｙ的欠壓電流ＩＵＶ為５０μＡ，過壓電流Ｉａｖ為２２５μＡ。若Ｌ端與輸入端接入的電阻Ｒ１為１ＭΩ，則欠壓保護值為５０ＶＤＣ，過壓保護值為２２５ＶＤＣ。
極限電流設定端Ｘ：外部電流設定調整端。若在Ｘ端與源極之間接入不同的電阻，則開關電流可限定在不同的數值，隨著接入電阻阻值的增大，開關允許流過的電流將變小。
源極Ｓ：連接內部ＭＯＳＦＥＴ的源極，是初級電路的公共點和電源回流基準點。
開關頻率選擇端Ｆ：當Ｆ端接到源極時，其開關頻率為１３２ｋＨｚ，而當Ｆ端接到控制端時，其開關頻率變為原頻率的一半，即６６ｋＨｚ。
漏極Ｄ：連接內部ＭＯＳＦＥＴ的漏極，在啟動時可通過內部高壓開關電流提供內部偏置電流。
２．２ ＴＯＰ２４９Ｙ的內部結構
ＴＯＰ２４９Ｙ的內部工作原理框圖如圖２所示，該電路主要由控制電壓源、帶隙基準電壓源、振蕩器、并聯調整器／誤差放大器、脈寬調制器（ＰＷＭ）、門驅動級和輸出級、過流保護電路、過熱保護電路、關斷／自動重起動電路及高壓電流源等部分組成。
３ 基于ＴＯＰ２４９Ｙ的開關電源設計
筆者利用ＴＯＰ２４９Ｙ設計了一種新型多路輸出開關電源，其三路輸出分別為５Ｖ／１０Ａ、１２．５Ｖ／４Ａ、７Ｖ／１０Ａ，電路原理如圖３所示。該電源設計的要求為：輸入電壓范圍為交流１１０Ｖ～２４０Ｖ，輸出總功率為１８０Ｗ。由此可見，選擇ＴＯＰ２４９Ｙ能夠滿足要求。
３．１ 外圍控制電路設計
該電路將Ｘ與Ｓ端短接可將ＴＯＰ２４９Ｙ的極限電流設置為內部最大值；而將Ｆ端與Ｓ端短接可將ＴＯＰ２４９Ｙ設為全頻工作方式，開關頻率為１３２ｋＨｚ。
圖2
在線路檢測端Ｌ與直流輸入Ｕｉ端連接一２ＭΩ的電阻Ｒ１可進行線路檢測，由于ＴＯＰ２４９Ｙ的欠壓電流ＩＵＶ為５０μＡ，過壓電流Ｉａｖ為２２５μＡ，因此其欠壓保護工作電壓為１００Ｖ，過壓保護工作電壓為４５０Ｖ，即ＴＯＰ２４９Ｙ在本電路中的直流電壓范圍為１００～４５０Ｖ，一旦超出了該電壓范圍，ＴＯＰ２４９Ｙ將自動關閉。
３．２ 穩壓反饋電路設計
反饋回路的形式由輸出電壓的精度決定，本電源采用“光耦＋ＴＬ４３１”，它可以將輸出電壓變化控制在±１％以內，反饋電壓由５Ｖ／１２Ａ輸出端取樣。電壓反饋信號Ｕ０通過電阻分壓器Ｒ９、Ｒ１１獲得取樣電壓后，將與ＴＬ４３１中的２．５Ｖ基準電壓進行比較并輸出誤差電壓，然后通過光耦改變ＴＯＰ２４９Ｙ的控制端電流ＩＣ，再通過改變占空比來調節輸出電壓Ｕ０使其保持不變。光耦的另一作用是對冷地和熱地進行隔離。反饋繞組的輸出電壓經Ｄ２、Ｃ２整流濾波后，可給光耦中的接收管提供電壓。Ｒ４、Ｃ４構成的尖峰電壓經濾波后可使偏置電壓即使在負載較重時，也能保持穩定，調節電阻Ｒ６可改變輸出電壓的大小。
３．３ 高頻變壓器設計
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由于該電源的輸出功率較大，因此高頻變壓器的漏感應盡量小，一般應選用能夠滿足１３２ｋＨｚ開關頻率的錳鋅鐵氧體，為便于繞制，磁芯形狀可選用ＥＩ或ＥＥ型，變壓器的初、次級繞組應相間繞制。
高頻變壓器的設計由于要考慮大量的相互關聯變量，因此計算較為復雜，為減輕設計者的工作量，美國功率公司為ＴＯＰ Ｓｗｉｔｃｈ開關電源的高頻變壓器設計制作了一套ＥＸＣＥＬ電子表格，設計者可以方便地應用電子表格設計高頻變壓器。
３．４ 次級輸出電路設計
輸出整流濾波電路由整流二極管和濾波電容構成。整流二極管選用肖特基二極管可降低損耗并消除輸出電壓的紋波，但肖特基二極管應加上功率較大的散熱器；電容器一般應選擇低ＥＳＲ?等效串聯阻抗?的電容。為提高輸出電壓的濾波效果，濾除開關所產生的噪聲，在整流濾波環節的后面通常應再加一級ＬＣＣ濾波環節。
３．５ 保護電路設計
本電源除了電源控制電路ＴＯＰ２４９Ｙ本身所具備的欠壓、過壓、過熱、過流等保護措施外，其外圍控制電路也應有一定的保護措施。用Ｄ３、Ｒ１２、Ｑ１可構成一個５．５Ｖ的過壓檢測保護電路。這樣，當５Ｖ輸出電壓超過５．５Ｖ時，Ｄ３擊穿使Ｑ１導通，從而使光耦電流增大，進而增大了控制電路ＴＯＰ２４９Ｙ的控制端電流ＩＣ，最后通過內部調節即可使輸出電壓下降到安全值。
圖3
為防止在開關周期內，ＴＯＰ２４９Ｙ關斷時漏感產生的尖峰電壓使ＴＯＰ２４９Ｙ損壞，電路中設計了由箝壓齊納管ＶＲ１、阻斷二極管Ｄ１、電容Ｃ５、電阻Ｒ２、Ｒ３組成的緩沖保護網絡。該網絡在正常工作時，ＶＲ１上的損耗很小，漏磁能量主要由Ｒ２和Ｒ３承擔；而在啟動或過載時，ＶＲ１即會限制內部ＭＯＳＦＥＴ的漏極電壓，以使其總是處于７００Ｖ以下。
４ 電源性能測試及結果分析
根據以上設計方法，筆者對采用ＴＯＰ２４９Ｙ設計的多路輸出開關電源的性能進行了測試。實測結果表明，該電源工作在滿載狀態時，電源工作的最大占空比約為０．４，電源的效率約為９０％，紋波電壓控制、電壓調節精度及電源工作效率都超過了以往采用控制電路與功率開關管相分立的拓撲結構形式的開關電源。
５ 結論
由于ＴＯＰ２４９Ｙ芯片內部集成有ＰＷＭ控制器、功率開關ＭＯＳＦＥＴ以及多種保護電路，所以采用該芯片設計出的開關電源具有成本低、外圍線路簡單、體積小、效率及可靠性高等特點，因而在中功率電子設備中具有廣泛的應用前景。本文設計的開關電源已應用于某變頻器的控制電路中，且取得了較好的應用效果。
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