单路输出复合型开关电源的设计

贾俊荣

（闽江学院，福建 福州 35500110088）

三段线性稳压器虽然具有稳定的输出电压、纹波系数小，但是需要采用工频变压器，效率低。而开关电源芯片的优缺点与之相反，若将两种器件结合使用，便可以较好地实现优势互补，设计出效率高且精密的稳压电源［1-2］。

1 整体方案设计

本设计采用传统复合型开关电源的设计方案：首先对电源电压进行滤波处理，以TOP209P单片开电源芯片为核心进行设计，并与三段固定式集成稳压器7805配套使用，从而实现复合式开关电源设计［3-4］。

2 主要单元电路设计

2.1 单片开关电源芯片的选取

2.1.1 根据电压和输出功率设计输入滤波电容，得到其参数值为0.01μ、输入电压最小值为90V。

2.1.2 初级纹波电流IR与初级峰值电流IP的比值KRP，u确定，KRp取值在0.4到1.0之间。

2.1.3 计算初级的参数

输入电流的平均值IAVG=PO/ηVImin=27.7mA

初级峰值电流

初级脉动电流为21.9mA.

初级有效值电流

2.1.4 TOPSwitch芯片的选取

考虑到电流热效应会使在25°下定义的极限电流值降低约10%，所选芯片的极限电流最小值ILIMIT（min）应满足：0.9ILIMIT（min）≥Ip，因此选择TOP209P芯片。

2.2 漏极钳位电路

漏极钳位电路由VD1、C6、R2组成，VD1选用方向耐压为1 000V的超快恢复二极管1N4937。当MOSFET导通时，钳位电路不起作用。在MOSFET截止瞬间，VD1导通，尖峰电压被R2和C6吸收掉。

典型情况下，取最大输入电压380V，UL取165V，UOR取135V，得到总电压为680V，即MOSFET至少能承受700V的电压。为保护MOSFET不受损，在漏极设计增加了钳位电路，可达到吸收尖峰电压的效果。

2.3 高频变压器

2.3.1 计算高频变压器的初级电感量LP

输出功率取2W，初级峰值电流取值为53.9mA，初级脉动电流与峰值电流的比例系数为0.4，取开关频率为100kHz，取损耗分配系数为0.5，取电源效率80%。代入上式得LP=23.5H。

2.3.2 选择磁心与骨架并确定参数

当P0=2W，采用三重绝缘线绕制的EE16型磁心。

2.3.3 为初级层数d和次级绕组匝数NS赋值

次级整流二极管导通后存在0.6V的压降，次级匝数为（U0+0.6）*0.6匝/V=（5+0.6）*0.6匝/V=3.36匝，实取NS=4匝。

2.3.4 计算初级绕组匝数NP和反馈绕组匝数NF

输出整流管1N5819的正向压降UF1为0.6V，反馈电路整流管BAV21的正向压降UF2为1.0V。

（1）次级匝数Np=NSUOR/·（UO+UF1），已知UOR=135V，UO=5V，UF1=0.6V，NS=4匝，代入得NP=96.4匝，实取97匝。

（2）计算反馈绕组匝数NF=NS（UFB+UF2）/（UO+UF1），已知UOR=135V，UO=5V，UF1=0.6V，NS=4匝,UFB=27.7V,UF2=1.0V，代入的NF=20.5匝，实取21匝。

2.3.5 根据公式计算有效骨架宽度bE（bE=d（b-2M））,将d=2，b=7.2mm，M=1.05mm代入得10.2mm。

初级导线的外径，将bE（10.2mm）除以NP（97匝）得DPM=0.11mm，内径为DPm=0.06mm。

2.3.6 计算磁心中的最大磁通密度BM（BM=100IPlP/NPSJ）,将IP=54.7mA，LP=23.5H，NP=97匝，SJ=0.18cm2代入上式得BM=0.2362。

2.3.7 磁心的气隙宽度δ和留有气隙时磁心的等效电感ALG

综上所述，选取的EE16磁心符合设计要求。

2.4 输入欠电压保护电路

取U1的最小值为90V，设定欠电压阀值为70V。当输入电压小于70V时，U1经过两电阻分压后加至二极管的负极上，二极管导通，使得三极管得以导通，从而控制端电压跳变为低电平，TOP209P关断。电压若恢复正常参数值，二极管、三极管截止，在电路中不存在保护作用。保护电路的设计还可以防止TOP209P的误启动，仅当输入电压高于欠电压值时才可以允许重新启动。二极管能限制三极管的反向发射结电压不至于过高。同样，当交流电源突然掉电时，该电路也能起保护作用。

2.5 次级输出电路

次级电路的输出电压，经过二极管整流、电容滤波之后产生+7.5V电压，直接连接LM7805的输入端，正常工作可输出5V稳定电压。三端稳压器LM7805的电压调整率较小，Sv=±0.1%，I0max=1A＞400mA。

2.6 反馈回路

在基本反馈电路上增加了一个稳压管和电阻，可改变负载调整率，范围为±2%。稳压管选用1N5234/6.2V，一般取稳定电压值为22V，可采用增加反馈绕组匝数的方法，来获得更高的反馈电压，从而满足电路的设计需要。

2.6.1 选择反馈电路的类型以及反馈电压UFB值

改进型基本反馈电路：UFB=27.7V，U0的准确度=±5%，SV=±1.5%，SI=±2.5%。

2.6.2 反馈电路中的整流管

BAV21满足URM=200V≥UBRFB1.25=30.6V

2.6.3 选择反馈滤波电容

反馈滤波电容选取0.1uF/50V陶瓷电容器。

2.6.4 控制端旁路电路

滤除控制端上的尖峰电压决定自动重启的频率，取电容值47μF，自动重启频率为1.2Hz，时间周期0.83s，用于监测失控的故障，若故障已经被排除，则电路进行自动启动，开关电源能够恢复正常的工作状态。

2.6.5 旁路电容、电阻的选取

电阻、电容电路可对控制回路进行补偿。电路中控制端的电容元件一般选取值为47μF/10V，可为普通电解电容，与电容串联的电阻元件的参数为6.8Ω。

3 总结

本设计采用单片开关电源TOP209P与三段固定式集成稳压器7805实现了在输入电压为85v～265v，输出能力为5V、400mA（2W）的复合式开关电源设计。该电源设计电路简单、元件少、体积小，具有效率高、成本低、可靠性高，性能稳定等优点。

［1］邓木生.基于TOP224Y复合型精密恒流源的设计［J］.山西电子技术，2011（6）：1-5.

［2］张小华，张春喜.基于TOPSwitch-Ⅱ的单片开关电源设计［J］.通信电源技术，2008，25（1）：43-48.

［3］姬志国，李晓峰，樊琛.基于TOPSwitch—II的单片开关电源设计与实现［J］.新特器件应用，2009，11（2）：15-21.

［4］赵皊.TOPSwitch芯片设计的反激式开关电源［J］.现代雷达，2003，7（7）：50-53.