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多路输出单端反激式开关电源原理及设计

一、设计要求

本文设计的开关电源将作为智能仪表的电源，最大功率为10W。为
了减少PCB的数量和智能仪表的体积，要求电源尺寸尽量小并能将电源
部分与仪表主控部分做在同一个PCB上。考虑10W的功率以及小体积的
因素，电路选用单端反激电路。单端反激电路的特点是：电路简单、体
积小巧且成本低。单端反激电路由输入滤波电路、脉宽调制电路、功率
传递电路(由开关管和变压器组成)、输出整流滤波电路、误差检测电路
(由芯片TL431及周围元件组成)及信号传递电路(由隔离光耦及电阻组
成)等组成。本电源设计成表面贴装的模块电源，其具体参数要求如下：
输出最大功率：10W；输入交流电压：85～265V；输出直流电压／电流：
+5V，500mA；+12V，150mA；+24V，100mA；纹波电压：≤120mV。

二、单端反激式开关电源的控制原理

所谓单端是指TOPSwitch-II系列器件只有一个脉冲调制信号功率
输出端一漏极D。反激式则指当功率MOSFET导通时，就将电能储存在高
频变压器的初级绕组上，仅当MOSFET关断时，才向次级输送电能，由于
开关频率高达100kHz，使得高频变压器能够快速存储、释放能量，经高
频整流滤波后即可获得直流连续输出。这也是反激式电路的基本工作原
理。而反馈回路通过控制TOPSwitch器件控制端的电流来调节占空比，
以达到稳压的目的。

三、TOPSwitch-Ⅱ系列芯片选型及介绍

TOPSwitch-Ⅱ系列芯片的漏极(D)与内部功率开关器件MOSFET相
连，外部通过负载电感与主电源相连，在启动状态下通过内部开关式高
压电源提供内部偏置电流，并设有电流检测。控制极(C)用于占空比控制
的误差放大器和反馈电流的输入引脚，与内部并联稳压器连接，提供正
常工作时的内部偏置电流，同时也是提供旁路、自动重起和补偿功能的
电容连接点。源极(S)与高压功率回路的MOSFET的源极相连，兼做初级
电路的公共点与参考点。内部输出极MOSFET的占空比随控制引脚电流的
增加而线性下降，控制电压的典型值为5.7V，极限电压为9V，控制端
最大允许电流为100mA。在设计时还对阈值电压采取了温度补偿措施，
以消除因漏源导通电阻随温度变化而引起的漏极电流变化。当芯片结温
大于135℃时，过热保护电路就输出高电平，关断输出极。此时控制电
压Vc进入滞后调节模式，Vc端波形也变成幅度为4.7V～5.7V的锯齿
波．若要重新启动电路，需断电后再接通电路开关，或者将Vc降至3.3V
以下，再利用上电复位电路将内部触发器置零，使MOSFET恢复正常工作。
采用TOPSwitch-Ⅱ系列设计单片开关电源时所需外接元器件少，而且器
件对电路板布局以及输入总线瞬变的敏感性大大减少，故设计十分方便，
性能稳定，性价比更高。对于芯片的选择主要考虑输入电压和功率。由
设计要求可知，输入电压为宽范围输入，输出功率不大于10W，故选择
TOP222G。

四、电路设计

本开关电源的原理图如图1所示。

电源主电路为反激式，C1、L1、C2，接在交流电源进线端，用于滤
除电网干扰，C5接在高压和地之间，用于滤除高频变压器初、次级后和
电容产生的共模干扰，在国际标准中被称为"Y电容"。C1跟C5都称作安
全电容，但C1专门滤除电网线之间的串模干扰，被称为"X电容"。为承
受可能从电网线窜入的电击，可在交流端并联一个标称电压u1mA为275V
的压敏电阻VSR。鉴于在功率MOSFET关断的瞬间，高频变压器的漏感产
生尖峰电压UL，另外，在原边上会产生感应反向电动势UOR，二者叠加
在直流输入电压上。典型的情况下，交流输入电压经整流桥整流后，其
最高电压UImax=380V，UL≈165V，UOR=135V，贝UOR+UL+UOR≈680V。这
就要求功率MOSFET至少能承受700V的高压，同时还必须在漏极增加钳
位电路，用以吸收尖峰电压，保护TOP222G中的功率MOSFET。本电源的
钳位电路由D2、D3组成。其中D2为瞬态电压抑制器(TVS)P6KE200，D3
为超快恢复二极管UF4005。当MOSFET导通时，原边电压上端为正，下
端为负，使得D3截止，钳位电路不起作用。在MOSFET截止瞬间，原边
电压变为下端为正，上端为负，此时D1导通，电压被限制在200V左右。
输出环节设计以+5V输出环节为例，次级线圈上的高频电压经过UF5401
型100V／3A的超快恢复二极管D7，由于+5V输出功率相对较大，于是增
加了后级LC滤波器，以减少输出纹波电压。滤波电感L2选用被称作"
磁珠"的3.3μH穿心电感，可滤除D7在反向恢复过程中产生的开关噪声。
对于其他两路输出，只需在输出端分别加上滤波电