TOPSwitch 来设计单板电源，则可以很好地解决这种问题。 1 TOPSwitch结构及工作原理
TOPSwitch 系列产品性能稳定，价格实惠，本文选择该系列中的TOP225 为核心设计制作了一种输入为30～100V 交流电，输出直流电压分别为+15V、-15V和+5V，输出功率约60W的稳压
电源。
TOPSwitch 系列为三端器件，分别为控制端C(Control)、源极S(Source)、漏极D(Drain)。控制端的主要作用是，根据其电流Ic来自动调节占空比。源极S 与芯片内部功率MOS管源极相连，并作为初级电路的公共地，漏极D与芯片内部功率MOS 管的漏极相连。
TOPSwitch 的结构如图1 所示。
图1 TOPSwitch的内部结构
TOPSwitch 的稳压原理是：通过反馈电流（即控制端电流）Ic来自动调节占空比，实现稳压。当输出电压上升时，反馈电流随之上升，占空比呈反向变化而下降，导致输出电压也随之下降，从而保证输出电压的稳定。占空比与控制端电流值成反比。需要注意的是，C 端电压不能超过9V，电流不能大于100mA。其中输出占空比和开关频率与C 端电流之间关系如图2 所示。
图2 开关频率和占空比与控制端电流的关系
2 系统的结构框图和工作原理
系统输入为30～100 V 交流电。为使系统结构简单，选用了不可控整流桥作为整流单元。通过可调分流基准集成电路TL431A 的整定参考电压的变化可以实现动态稳压。当输入电压上升的时候，经过高频变压器后产生的脉冲幅值增大，变压器副边输出的直流电压上升。提供给TL431A 的参考电压上升，TL431A 的分流也就增加，经线性光耦的传送，通过光耦的电流（也就是控制端电流）增大，TOPSwitch 的输出脉冲占空比减小，输出电压下降。稳定时刻的输出电压Vo=12 V，通过调节TL431A 的反馈电路的分压电阻值，可以调节该稳压电源的输出电压。主电路结构如图3 所示。
图3 主电路结构图
主电路结构为单端反激式结构，反激式电路结构可减少电路元器件，简化驱动电路。单端反激式开关电源一般工作在电流非连续状态，变压器原边起能量存储的作用。单位时间内储存的能量为W=12LpIp2f，其中Lp为原边绕组的电感量，Ip为原边电流的峰值，f为开关管的开关频率。
在主电路图中，在开关管导通的时刻，变压器原边流过的电流因为原边电感的存在，由0 开始增大，直至开关管关断时刻达到峰值Ip。关断之后，变压器原边储存的能量通过磁耦合传递到副边，经快恢复二极管整流和电容滤波，在副边形成输出电压。其中一个副边的输出电压信号转换为TOPSwitch 的C 端的电流信号，来实现对100 kHz的PWM 波的输出占空比的控制。当输出电压减小时，通过变压器传递过来的功率减小，反馈到TOPSwitch 的C 端的电流减小，则TOPSwitch 输出的PWM波占空比变大，输出电压提高，反之亦然。
3 系统各元器件参数的整定
高频变压器是能量传递通路的核心，设计高频变压器的方法有许多种。在此介绍一种简单实用的高频变压器参数整定方法。首先，高频变压器的工作频率在100 kHz 左右，其磁芯材料选择永磁铁氧体。然后，由变压器的传递功率等级可以选择出磁芯的型号，由此可以计算出磁芯的窗口面积，进而确定线圈匝数。本电源输出功率P0为60W左右，由P= 1+1孜 蓸蔀P0得变压器的功率为120W，其中灼为变压器的效率（取0.95），P0 为变压器的输出功率。由变压器手册中可以查找到适合此功率等级的磁芯有：RM8、U20、RM10、E25、EI25 等。在市场上EI 和RM 系列磁芯比较常见，但RM磁芯绕线较困难，故选用EI25 型磁芯。考虑到变压器中的电流较小，采用双股的0.35 mm直径的漆包线。由磁芯数据可知，EI25 磁芯截面积为63mm2。磁芯工作磁密的变化量ΔB≈315 mT。
则磁芯的截面积AC为
式中：U1为变压器原边输入电压；
TON为通过变压器脉冲的宽度；
N1为原边绕组匝数。
在电源输入最低的情况下（即30 V时），设计通过变压器的脉冲为50% 占空比的方波，由此计算出原边绕组匝数为54 匝。则变压器副边绕组匝数N2为
式中：UD为快恢复二极管的正向导通压降；
D为脉冲的占空比；
I0×r 为变压器副边绕组的压降。
实际中，副边1 的输出为+15 V 直流，副边2的输出为6～9 V的直流，副边3和4 的输出分别为-15 V和+5 V。快恢复二极管压降可参考数据手册，变压器副边压降取为1 V。由式（2）得，副边1绕组匝数为16 匝，副边2 的匝数为10 匝，3、4 绕组匝数分别为16 匝和8 匝。-15 V 输出绕组与+15 V输出绕组的极性相反。实际绕制过程中，考虑到绕制工艺使得漏感增大，应在计算的基础上再多加1～2 匝。经核算，磁芯窗口面积AW为成立。
（
3）
式中：Ku为填充系数，取值为0.2；
J为电流密度，取值为3 A/m2；
PT为变压器视在功率。
设计的变压器及其原副边绕组可以传递功率PT。由于单端反激电路的磁芯工作在第一象限的磁滞回线中，若储存在变压器中的一部分能量在本次开通结束保留到下一次开关管开通之前时，容易使磁芯达到饱和，故在磁芯中加入气隙，气隙能防止磁芯进入饱和。
光耦除了隔离电压参考基准和变压器主电路以外，还有反馈放大的作用。直流输出电压和TL431A产生的基准电压之差加在光耦的触发端，这个压差的大小必须与TOPSwitch 的控制端电流建立起线性的关系。同时，由于必须将连续变化的输出迅速反馈，一般选用线性光耦。
4 反馈回路的设计及参数计算
反馈回路的关键是确定R1、R3、R5及R6的值。设输出电压Uo，辅助绕组输出电压为12 V。将输出电压分压与三端可调分流基准源TL431A 构成的基准电压比较，通过线性光耦PC817 的电流变化去控制TOPSwitch 的C 极电流，从而改变输出占空比，达到稳压目的。如图2 所示，IC的电流应在2~6 mA之间，输出占空比线性变化。从图4 可知，当PC817 发光二极管正向电流IF在3 mA 左右时，光敏三极管的集射电流ICE在4 mA左右变化，而且集射电压VCE在很宽的范围内线性变化，符合控制要求。根据TL431A的特性，其输出电压Vo为
图4 PC817 集射极电压vCE与前向电IF 关系
式中：Vr为参考电压。
PC817 发光二极管的正向压降VF为1.2 V，正向电流IF为3 mA。TL431A 的阴极电流大约取为20 mA，可确定R1和R3的阻值，TL431 的阴极电压VKA=VO-VR3。
电源的基准电压要求为15V，由TL431A 提供，根据其工作特性，将参考电压设为2.5V，分压电阻R5 和R6 阻值之比取为5，可满足要求。TOPSwitch 在运行时，必须在C 端与S 端之间接入电容，典型值为0.47μF。
5 实验结果
由实际输出电压波形和触发脉冲波形可以看出，当输入交流电幅值变化时，TOPSwitch 的开关占空比也随之变化，起到了稳压的作用。开关过程中仍有过压存在，说明过压抑制电路的参数还需进一步优化，但过压的存在并未超过开关管的耐压。输出纹波偏大，在输出端所加电解电容旁并联一只0.1μF CBB电容后得到改善。如图5、图6、图7、图8 所示。
图5 实际输出直流电压 图6 输入AC 100V 时D、S 端电压波形
图7 输入AC 55V 时D、S 端电压波形 图8 输入AC 30V 时D 、S 端电压波形
6 结语
本文介绍了隔离式稳压开关电源，应用了开关电源领域先进的智能功率集成电路TOPSwitch，实现了动态稳压。整个电源所占用的PCB板面积很小，可直接做在单板系统上，为绝大多数单板系统提供足够的电能。经实验证明，它结构简单，性能可靠，成本低廉，而且重量轻、体积小，具有很大的实用潜力。
参考文献
[1] 刘胜利． 现代高频开关电源实用技术[M]． 电子工业出版社，2001.
[2] 沙占友．单片开关电源最新应用技术[M]． 北京:机械工业出版社，2003.
[3] 杨玉岗． 现代电力电子的磁技术[M]． 北京:科学出版社，2003.
[4] TOPSwitch225-227 Datasheet． POWERINT Company，1996.
作者简介
李淑琴（1982-），女，硕士研究生，研究方向为电力电子与电力传动。
范蟠果（1961-），男，副教授，从事电力电子与计算机测控方面的研究。
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