原標題：采用TOP249Y開發變頻器實現多路輸出開關電源的應用方案

采用TOP249Y開發變頻器實現多路輸出開關電源的應用方案

一、引言

隨著PWM（脈沖寬度調制）技術的不斷發展和完善，開關電源在各個領域得到了廣泛應用。傳統的開關電源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。為了克服這些缺點，POWER Integration Inc開發的TOP Switch系列新型智能高頻開關電源集成芯片應運而生。本文將詳細介紹如何利用TOP Switch的第三代產品TOP249Y開發變頻器用多路輸出開關電源的應用方案，并深入探討該芯片在設計中的作用及詳細型號。

二、TOP249Y概述

TOP249Y是POWER Integration Inc公司推出的TOP Switch系列智能高頻開關電源集成芯片中的一款，該芯片集成了自啟動電路、功率開關管、PWM（脈沖寬度調制）控制電路及多種保護電路等，大大提高了電源的效率，簡化了開關電源的設計流程，并提升了產品的可靠性。TOP249Y采用TO-220-7C封裝形式，具有六個管腳，分別為控制端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。

三、TOP249Y引腳功能及內部結構

3.1 引腳功能

• 控制端C：此端為誤差放大電路和反饋電流的輸入端。在正常工作時，通過控制電流IC的大小可調節占空比，并由內部并聯調整器提供內部偏流。系統關閉時，可利用該端激發輸入電流，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：此端用于輸入電壓的欠壓與過壓檢測，并具有遠程遙控功能。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：此端為外部電流設定調整端。在X端與源極之間接入不同的電阻，可限定開關電流在不同的數值。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：此端用于選擇開關頻率。當F端接到源極時，開關頻率為132kHz；當F端接到控制端時，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。

3.2 內部結構

TOP249Y的內部工作原理框圖主要包括控制電壓源、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。這些部分共同協作，實現高效、穩定的電源輸出。

四、基于TOP249Y的多路輸出開關電源設計

4.1 設計要求

本文設計的多路輸出開關電源需滿足以下要求：輸入電壓范圍為交流110V～240V，輸出總功率為180W，具體輸出為5V/10A、12.5V/4A、7V/10A。

4.2 外圍控制電路設計

• 極限電流設置：將X與S端短接，可將TOP249Y的極限電流設置為內部最大值。

• 開關頻率設置：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。

• 線路檢測：在線路檢測端L與直流輸入Ui端連接一2MΩ的電阻R1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，一旦超出此范圍，TOP249Y將自動關閉。

4.3 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”作為穩壓反饋電路，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，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。

4.4 高頻變壓器設計

由于該電源的輸出功率較大，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。高頻變壓器的設計涉及大量相互關聯變量，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進行設計。

4.5 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。

為防止在開關周期內，TOP249Y關斷時漏感產生的尖峰電壓損壞TOP249Y，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會限制內部MOSFET的漏極電壓，以使其總是處于700V以下。

五、電源性能測試及結果分析

根據以上設計方法，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均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。

六、結論

由于TOP249Y芯片內部集成了PWM控制器、功率開關MOSFET以及多種保護電路，因此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。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，并取得了較好的應用效果。

七、主控芯片型號詳解

在本應用中，主控芯片型號為TOP249Y，屬于POWER Integration Inc公司的TOP Switch系列。該系列芯片以其高度集成的特性，簡化了開關電源的設計流程，并提升了系統的整體性能。TOP249Y作為該系列中的一款重要產品，不僅集成了自啟動電路、功率開關管、PWM控制電路及多種保護電路，還具備較高的開關頻率和靈活的電流、電壓調節能力。這些特性使得TOP249Y在變頻器用多路輸出開關電源的設計中表現出色，滿足了設計要求并實現了高效、穩定的電源輸出。

綜上所述，采用TOP249Y開發變頻器用多路輸出開關電源是一種高效、可靠的設計方案。通過合理的電路設計和嚴格的性能測試，可以確保電源在各種工況下都能穩定、高效地工作。