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如何避免小功率通用開關電源設計中產生的EMI
2022-06-20

　　直流穩(wěn)壓電源是現代電力電子系統中的重要組成部分，好的直流電源系統是高質量現代電子系統的重要保證。開關電源本身種類繁多，設計方法也復雜多樣，因此研究一種簡潔的方法去快速設計出所需要的通用型高效率，低廉價格的開關電源是很有必要的。 　　1 開關電源工作原理 　　開關直流穩(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，先對輸入交流電壓整流，從而形成脈動直流電壓，經過DC-DC 變換電路變壓，再通過斬波電路形成了不同脈沖寬度的高頻交流電，然后對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行取樣反饋，經過與比較電路的電壓值進行參數比較，把差值信號放大，從而控制開關電路的脈沖頻率f 和占空比D，以此來控制輸出端的導通狀態(tài)。因此，輸出端便可以得到所需的電壓電流值。 　　如圖1， 將開關電源模塊劃分為以下幾個部分。 　　根據電力系統的實際需要，通過對各個部分進行分析，便可以設計出相應的開關電源產品。 　　圖1 開關電源原理框圖。 　　2 TopswitchⅡ簡介 　　TOPSwitch ？？是POWER 公司生產的高集成的用于開關電源的專用芯片。它將功率開關管與其控制電路集成于一個芯片內，并具有自動復位，過熱保護與過流保護等功能，其功能原理圖如圖2 所示。當系統上電時，D 引腳變?yōu)楦唠娢?，內部電流源開始工作且片內開關在0 位，TOPSwitch 給并接在C 引腳的電容C5（見圖2） 充電。當C5 端電壓達到5.7 V 后，自動重起電路關閉，片內開關跳到1 位。C5 一方面提供TOPSwitch 內部控制電路的電源，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管的占空比。MOSFET 開關管的驅動信號由內部振蕩電路、保護電路和誤差放大電路共同產生。C5 兩端的電壓愈高，MOSFET 開關管驅動脈沖的占空比愈小。 　　3 TOPSwitch 芯片的選型 　　在設計開關電源時，首先就要面臨如何選擇合適的開關電源控制芯片。在選擇芯片的時候，要既能滿足要求，又不因為選型造成資源的浪費。下面就介紹利用TopswitchⅡ系列開關電源的功率損耗（ PD ） 與電源效率（η），輸出功率（ Po ） 關系曲線，快速選擇芯片的型號，從而完成寬范圍輸入的通用開關電源的設計。 　　圖2 TOPSwitch芯片內部原理圖。 　　3.1 PD，η， Po 關系曲線 　　寬范圍輸入的交流電壓為85~ 265 V， 在這種條件下，TOP221~ TOP227 系列單片開關電源的P D，η，Po 關系曲線如下，見圖3、圖4。 　　圖3 寬范圍輸入且輸出為5 V 時PD ，η， Po 關系曲線。 　　圖4 寬范圍輸入且輸出為12 V 時PD，η， Po 關系曲線。 　　注意，這里假定交流輸入電壓最小值umin= 85 V，最高輸入電壓umax = 265 V.途中的橫坐標代表輸出功率，而15 條虛線均為芯片功耗的等值線。 　　首先確定適用的曲線圖，例如，當u= 85~ 265 V，Uo= + 5 V 時，應該選擇圖3; 當u= 220 V（ 即230 V-230 V× 4.3% ），Uo= + 12 V 時，就應該選擇圖4; 然后在橫坐標上找出欲設計的功率輸出點P o ; 從輸出功率點垂直向上移動，知道選中合適芯片所指的那條曲線。如果不適用，可以繼續(xù)向上查找另一條實線; 然后從等值線（ 虛線） 上讀出芯片的功耗PD，進而還可以求出芯片的結溫（ Tj ） 以確定散熱片的大小。 　　例如，設計輸出5 V， 30 W 的通用開關電源時，就要選擇圖3.因為通用開關電源輸入交流電壓范圍85~ 265 V.首先從橫坐標上找到Po = 30 W 的輸出功率點，然后垂直上移，與T OP224 的實線相交于一點，由縱坐標上查出該點的η= 71.2%，最后從經過這點的那條等值線上，查得PD = 2.5 W.這表明，選擇TOP224 就能輸出30 W 功率，并且預期的電源效率為71.2%，芯片功耗為2.5 W.如果覺得指標效率偏低，還可以繼續(xù)往上查TOP225 的實線。同理，選擇TOP225 也能輸出30 W 的功率，而預期的電源效率可以提高到75%，芯片功耗可以降低1.7 W.然后根據所得到的PD 值，還可以進而完成散熱片設計。 　　3.2 等效輸出功率的修正 　　PD ，η， Po 關系曲線均對交流輸入電壓的最小值進行了限制，umin = 85 V.如果交流輸入電壓最小值不符合上述的要求，就會直接影響芯片的正確選擇。此時必須從實際的交流輸入電壓u？ min最小值對應的功率P‘o 折算成umin為規(guī)定值時的等效功率Po，才能使用上面的圖。功率修正的方法如下： 選擇使用的特性曲線，然后根據已知的u’min值查出折算系數K;將P ‘o折算成umin為規(guī)定值時的等效功率Po，表達公式P o=P’o / K;然后從圖3、圖4 中選用適當的關系曲線。 　　圖5 寬范圍輸入時K 與u‘min 的關系。 　　例如設計12 V， 35 W 的通用開關電源，已知umin= 90% × 115 V = 103.5 V.從圖5中查出K =1.15.將P ’o = 3.5 W， K = 1.15帶入P o= P ‘o / K 中，計算出Po= 30.4 W; 再根據Po 的值，從圖4 中查出選擇的最佳型號是T OP224 芯片，此時η = 81.6%，PD= 2 W.如果選擇了T OP223， 則η 降到73.5%，PD 增加到5 W， 顯然不合適。如果選擇T OP225 型，就會造成資源浪費，因為它比TOP224 的價格要高一些，而且適合輸出40~ 60 W 的更大的功率。

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