单片开关电源设计要点及电子数据表格

利用计算机设计单片开关电源讲座

第三讲

单片开关电源设计要点及电子数据表格

1单片开关电源的设计要点

1.1电源效率的选定

开关电源效率（η）是指其输出功率（PO）与输入功率（PI）（即总功率）的百分比。需要指出，单片开关电源的效率随输出电压（UO）的升高而增加。因此，在低压输出时（UO=5V或3.3V），η可取75％；高压输出时（UO≥12V）,η可取85％。在中等电压输出时（5V因电源效率η=PO／PI，故开关电源的总功耗PD=PI－PO=－PO=·PO（1）

PD中包括次级电路功耗和初级电路功耗。重要的是应知道初、次级功耗是如何分配的。损耗分配系数（Z）即反映出这种关系。

设初级功耗为PP，次级功耗为PS，则PP＋PS=PD，Z=PS／PD，而1－Z=PP／PD。需要注意的是，次级功耗与高频变压器传输功率的大小有关，而初级钳位二极管的功耗应归入次级功耗之中。这是因为输入功率在漏极电压被钳位之前，已被高频变压器传输到次级的缘故。

1.2如何计算输入滤波电容的准确值

输入滤波电容的容量是开关电源的一个重要参数。CIN值选的过小，会使UImin值大大降低，而输入脉动电压UR却升高。但CIN值取得过大，会增加电容器成本，而且对于提高UImin值和降低脉动电压的效果并不明显。下面介绍计算CIN准确值的方法。

交流电压u经过桥式整流和CIN滤波，在u=umin情况下的输入电压波形如图1所示。该图是在PO=POM，fL=50Hz（或60Hz）、整流桥的响应时间tc=3ms、η=80％的情况下绘出的。由图可见，在直流高压UImin上还要叠加上一个幅度为UR的初级脉动电压，这是CIN在充放电过程中形成的。

欲获得CIN的准确值，可按下式进行计算：CIN=（2）

图1交流电压为最小值时的输入电压波形

图2正向恢复时间的电压波形

图3TOPSwitch?Ⅱ等系列在230V交流输入时各电压参数的电位分布

举例说明，在宽范围电压输入时，umin=85V。取UImin=90V，fL=50Hz，tc=3ms，假定PO=30W，η=80％，一并带入式（2）中求出CIN=84.2μF，比例系数CIN／PO=84.2μF／30W=2.8μF／W，这恰好在（2～3）μF／W允许的范围之内。

1.3初级各电压参数的电位分布情况

下面详细介绍输入直流电压的最大值UImin、初级感应电压UOR、钳位电压UB与UBM、最大漏极电压

UDmax、漏?源击穿电压U(BR)DS这6个电压参数的电位分

布情况，使读者能有一个定量的概念。

对于TOPSwitch?Ⅱ系列单片开关电源，其功率开

关管的漏?源击穿电压U(BR)DS≥700V，现取下限值700V，

其感应电压UOR=135V。本来初级钳位二极管的钳位电压UB只需取135V，即可将叠加在UOR上由漏感而造成的尖峰电压吸收掉，实际却不然。手册中给出UB参数值仅表示工作在常温、小电流情况下的数值。实际上钳位二极管（即瞬态电压抑制器TVS）还具有正向温度系数，它在高温、大电流条件下的钳位电压UBM要远高于UB。实验表明，二者存在下述关系：

UBM≈1.4UB（3）

这表明UBM大约比UB高40％。此外，为防止钳位二极管对初级感应电压UOR也起到钳位作用，所选用的TVS钳位电压应按下式计算：

UB=1.5UOR（4）

此外，还须考虑与钳位二极管相串联的阻塞二极管VD1的影响。VD1一般采用超快恢复二极管（SRD），其特征是反向恢复时间（trr）很短。但是VD1在从反向截止到正向导通过程中还存在着正向恢复时间（tfr），还需留出20V的电压余量。正向恢复时间定义为：给二极管施加一个正向瞬态电压，使之从电流为零的反向电压偏置状态转入正向电压偏置状态，直到管子的正向电压恢复到规定值所需要的时间间隔。设二极管正向压降的典型值为UF，这里讲的规定值即为1.1UF。正向恢复时间的电压波形如图2所示。由图可见，当给二极管加上正向瞬态电压时，管子由截止状态转变成导通状态的过程如下：管子的正向电压首先要从零上升到0.1UF，然后达到峰值电压UFM，再下降到1.1UF。规定从0.1UF恢复到1.1UF所需时间，即为正向恢复时间。需要注意，正向恢复时间（tfr）和反向恢复时间（trr）属于两个性质不同的特征参数。

考虑上述因素之后，TOPSwitch?Ⅱ的最大漏?源极

电压的经验公式应为：

UDmax=UImax＋1.4×1.5UOR＋20V（5）TOPSwitch?Ⅱ各系列在230V交流固定输入时，初级电压参数对应于波形的分布情况如图3所示。此时u=230V±35V，即umax=265V，UImax=umax≈375V，UOR=135V，UB=1.5UOR≈200V，UBM=1.4UB=280V，UDmax=675V，最后再留出25V的电压余量，因此U(BR)DS=700V。实际上U(BR)DS也具有正向温度系数，当环境温度升高时U(BR)DS也会升高，上述设计就为芯片耐压值提供了额外的余量。

1.4根据IP值选择芯片的方法

单片开关电源的极限电流最小值ILIMIT（min)，均是针对室温情况下定义的。若芯片工作在比较高的温度下，其额定值应减小10％，因此通常取初级峰值电流IP=0.9ILIMIT（min)。这表明在选择芯片时，可先将IP除以0.9，转换成ILIMIT（min)值，从有关参数表中查出符合上述要求且与该数值最为接近的TOPSwitch芯片。

在PO确定之后，采用连续模式能降低IP，允许使用功率较小的芯片。若要减小磁芯及高频变压器的尺寸，应适当增加初级脉动电流IR与峰值电流IP的比值KRP。KRP的取值范围是0～1.0。KRP愈大，磁芯尺寸愈小，其代价是需采用输出功率较大的芯片。另外，增大KRP值还意味着开关电源要向不连续模式过渡，此时初级电感量LP↓，IP↑，IRMS↑，导致η↓。因此，在选择KRP值时应权衡利弊，要在减小磁芯尺寸与保证尽量高的效率这二者之间，确定最优设计方案。

2电子数据表格的结构

在用计算机设计单片开关电源时，需借助于电子数据表格才能完成。这种表格的内容以高频变压器设计为主，其它外围电路及关键元器件参数计算为辅。单路输出式开关电源的电子数据表格共分6列。A列代表输入和输出的参数。B列中是由用户输入的数据。C列为计算过程中保留的数据，这些数据可作为中间变量，在前、后设计步骤中交叉使用。D列为计算结果。E列给出的是单位（SI制）。F列是对参数的说明。

举例说明：由TOP222Y构成的7.5V、15W单片开关电源模块，其交流输入电压范围是85V～265V，电压调整率SV=±0.5％（85V～265V），负载调整率SI=±1％（负载电流从满载的10％变化到100％），输出纹波电压最大值为±50mV。表1给出该模块所对应的电子数据表格，可供读者在设计开关电源时参考。需要指出，在设计和使用电子表格时，还可根据实际电路的要求，适当增加一些参数。例如在第16行下面插入TOPSwitch的极限电流最大值ILIMIT（max)参数，并注明由此选定的芯片型号，作为新的17行，原17行就改为18行，依次顺延。表中预留出的空行也是专为插入新参数而设置的。

表1设计7.5V、15W开关电源用的电子数据表格 　 A B C D E F 1 输入 中间过程 输出 单位 参数说明 2 参数 数据 保留数据 计算结果 　 7.5V、15W开关电源 3 umin 85 　 　 V 交流输入电压最小值 4 umax 265 　 　 V 交流输入电压最大值 5 fL 50 　 　 Hz 电网频率 6 f 100 　 　 kHz 开关频率 7 UO 7.5 　 　 V 直流输出电压 8 PO 15 　 　 W 输出功率 9 η 80 　 　 ％ 电源效率 10 Z 0.5 　 　 　 损耗分配系数 11 UFB 10.4 　 　 V 反馈电压 12 tc 3.2 　 　 ms 整流桥响应时间 13 CIN 33 　 　 μF 输入滤波电容 14 　 　 　 　 　 　 15 输入TOPSwitch的变量 　 16 UOR 85 　 　 V 初级绕组的感应电压 17 UDS(ON) 10 　 　 V TOPSwitch的漏－源导通电压

续表 18 UF1 0.4 V 次级肖特基整流管正向压降 19 UF2 0.7 V 反馈电路中高速开关整流管正向压降 20 KRP 0.92 ％ 初级脉动电流IR与峰值电流IP的比例系数 21 22 输入高频变压器的结构参数 23 EE22 铁氧体磁芯型号 24 SJ 0.41 cm2 磁芯有效横截面积 25 l 3.96 cm 有效磁路长度 26 AL 2.4 μH/匝 磁芯不留间隙时的等效电感 27 b 8.43 mm 骨架宽度 28 M 0 mm 安全边距（安全边界宽度） 29 d 2 层 初级绕组层数 30 NS 5 匝 次级匝数 31 32 直流输入电压参数 33 UImin 93 V 直流输入电压最小值 34 UImax 375 V 直流输入电压最大值 35 36 初级电流波形参数 37 Dmax 51 ％ 最大占空比（对应于umin时） 38 IVAG 0.20 A 输入电流的平均值 39 IP 0.74 A 初级峰值电流 40 IR 0.68 A 初级脉动电流 41 IRMS 0.32 A 初级有效值电流 42 43 变压器初级设计参数 44 LP 623 μH 初级电感量 45 NP 54 匝 初级绕组匝数 46 NF 7 匝 反馈绕组线数 47 ALG 0.215 μH/匝 磁芯留间隙后的等效电感 48 BM 0.2085 T 最大磁通密度（BM=0.2～0.3T） 49 BAC 0.0959 T 磁芯损耗交流磁通密度（峰?峰值×0.5） 50 μ 1845 磁芯无气隙时的相对磁导率 51 δ 0.22 mm 磁芯的气隙宽度（δ≥0.051mm） 52 α 16.85 mm 有效骨架宽度 53 DPM 0.31 mm 初级导线的最大外径（带绝缘层） 54 e 0.05 mm 估计的绝缘层总厚度（厚度×2） 55 DPm 0.26 mm 初级导线的裸线直径 56 公制线径 ?0.280 mm 初级导线规格 57 SP 0.0516 mm2 初级导线的横截面积 58 J 0.67 A/mm2 电流密度J=(4～10A)/mm2 59 60 变压器次级设计参数 61 ISP 7.95 A 次级峰值电流 62 ISRMS 3.36 A 次级有效值电流 63 IO 2.00 A 直流输出电流 64 IRI 2.70 A 输出滤波电容上的纹波电流 65 66 SSmin 0.546 mm2 次级线圈最小横截面积 67 公制线径 ?0.900 mm 次级导线规格 68 DSm 0.91 mm 次级导线最小直径（裸线） 69 DSM 1.69 mm 次级导线最大直径（带绝缘层） 70 NSS 0.39 mm 次级绝缘最大厚度 71 72 电压极限参数 73 UDmax 573 V 最高漏极电压估算值（包括漏感的作用） 74 U(BR)S 42 V 次级整流管最高反向峰值电压 75 U(BR)FB 59 V 反馈电路整流管的最高反向峰值电压