原标题：采用TOP249Y开发变频器实现多路输出开关电源的应用方案

采用TOP249Y开发变频器实现多路输出开关电源的应用方案

一、引言

随着PWM（脉冲宽度调制）技术的不断发展和完善，开关电源在各个领域得到了广泛应用。传统的开关电源设计通常采用控制电路与功率管相分离的拓扑结构，但这种方案存在成本高、系统可靠性低等问题。为了克服这些缺点，POWER Integration Inc开发的TOP Switch系列新型智能高频开关电源集成芯片应运而生。本文将详细介绍如何利用TOP Switch的第三代产品TOP249Y开发变频器用多路输出开关电源的应用方案，并深入探讨该芯片在设计中的作用及详细型号。

二、TOP249Y概述

TOP249Y是POWER Integration Inc公司推出的TOP Switch系列智能高频开关电源集成芯片中的一款，该芯片集成了自启动电路、功率开关管、PWM（脉冲宽度调制）控制电路及多种保护电路等，大大提高了电源的效率，简化了开关电源的设计流程，并提升了产品的可靠性。TOP249Y采用TO-220-7C封装形式，具有六个管脚，分别为控制端C、线路检测端L、极限电源设定端X、源极S、开关频率选择端F和漏极D。

三、TOP249Y引脚功能及内部结构

3.1 引脚功能

• 控制端C：此端为误差放大电路和反馈电流的输入端。在正常工作时，通过控制电流IC的大小可调节占空比，并由内部并联调整器提供内部偏流。系统关闭时，可利用该端激发输入电流，同时该端也是旁路、自动重启和补偿电容的连接点。

• 线路检测端L：此端用于输入电压的欠压与过压检测，并具有远程遥控功能。TOP249Y的欠压电流IUV为50μA，过压电流Iav为225μA。若L端与输入端接入的电阻R1为1MΩ，则欠压保护值为50VDC，过压保护值为225VDC。

• 极限电流设定端X：此端为外部电流设定调整端。在X端与源极之间接入不同的电阻，可限定开关电流在不同的数值。随着接入电阻阻值的增大，开关允许流过的电流将变小。

• 源极S：连接内部MOSFET的源极，是初级电路的公共点和电源回流基准点。

• 开关频率选择端F：此端用于选择开关频率。当F端接到源极时，开关频率为132kHz；当F端接到控制端时，开关频率变为原频率的一半，即66kHz。

• 漏极D：连接内部MOSFET的漏极，在启动时可通过内部高压开关电流提供内部偏置电流。

3.2 内部结构

TOP249Y的内部工作原理框图主要包括控制电压源、带隙基准电压源、振荡器、并联调整器/误差放大器、脉宽调制器(PWM)、门驱动级和输出级、过流保护电路、过热保护电路、关断/自动重起动电路及高压电流源等部分。这些部分共同协作，实现高效、稳定的电源输出。

四、基于TOP249Y的多路输出开关电源设计

4.1 设计要求

本文设计的多路输出开关电源需满足以下要求：输入电压范围为交流110V～240V，输出总功率为180W，具体输出为5V/10A、12.5V/4A、7V/10A。

4.2 外围控制电路设计

• 极限电流设置：将X与S端短接，可将TOP249Y的极限电流设置为内部最大值。

• 开关频率设置：将F端与S端短接，可将TOP249Y设为全频工作方式，开关频率为132kHz。

• 线路检测：在线路检测端L与直流输入Ui端连接一2MΩ的电阻R1进行线路检测。由于TOP249Y的欠压电流IUV为50μA，过压电流Iav为225μA，因此其欠压保护工作电压为100V，过压保护工作电压为450V。即TOP249Y在本电路中的直流电压范围为100～450V，一旦超出此范围，TOP249Y将自动关闭。

4.3 稳压反馈电路设计

反馈回路的形式由输出电压的精度决定。本电源采用“光耦+TL431”作为稳压反馈电路，它可以将输出电压变化控制在±1%以内。反馈电压由5V/12A输出端取样，电压反馈信号U0通过电阻分压器R9、R11获得取样电压后，与TL431中的2.5V基准电压进行比较并输出误差电压。然后，通过光耦改变TOP249Y的控制端电流IC，再通过改变占空比来调节输出电压U0使其保持不变。光耦的另一作用是对冷地和热地进行隔离。反馈绕组的输出电压经D2、C2整流滤波后，可给光耦中的接收管提供电压。R4、C4构成的尖峰电压经滤波后可使偏置电压即使在负载较重时也能保持稳定，调节电阻R6可改变输出电压的大小。

4.4 高频变压器设计

由于该电源的输出功率较大，高频变压器的漏感应尽量小。一般应选用能够满足132kHz开关频率的锰锌铁氧体，为便于绕制，磁芯形状可选用EI或EE型，变压器的初、次级绕组应相间绕制。高频变压器的设计涉及大量相互关联变量，计算较为复杂。为减轻设计者的工作量，美国功率公司为TOP Switch开关电源的高频变压器设计制作了一套EXCEL电子表格，设计者可以方便地应用电子表格进行设计。

4.5 次级输出电路设计

输出整流滤波电路由整流二极管和滤波电容构成。整流二极管选用肖特基二极管可降低损耗并消除输出电压的纹波，但肖特基二极管应加上功率较大的散热器。电容器一般应选择低ESR（等效串联阻抗）的电容。为提高输出电压的滤波效果，滤除开关所产生的噪声，在整流滤波环节的后面通常应再加一级LCC滤波环节。

为防止在开关周期内，TOP249Y关断时漏感产生的尖峰电压损坏TOP249Y，电路中设计了由箝压齐纳管VR1、阻断二极管D1、电容C5、电阻R2、R3组成的缓冲保护网络。该网络在正常工作时，VR1上的损耗很小，漏磁能量主要由R2和R3承担；而在启动或过载时，VR1会限制内部MOSFET的漏极电压，以使其总是处于700V以下。

五、电源性能测试及结果分析

根据以上设计方法，对采用TOP249Y设计的多路输出开关电源的性能进行了测试。实测结果表明，该电源工作在满载状态时，电源工作的最大占空比约为0.4，电源的效率约为90%。纹波电压控制、电压调节精度及电源工作效率均超过了以往采用控制电路与功率开关管相分立的拓扑结构形式的开关电源。

六、结论

由于TOP249Y芯片内部集成了PWM控制器、功率开关MOSFET以及多种保护电路，因此采用该芯片设计出的开关电源具有成本低、外围线路简单、体积小、效率及可靠性高等特点。在中功率电子设备中具有广泛的应用前景。本文设计的开关电源已应用于某变频器的控制电路中，并取得了较好的应用效果。

七、主控芯片型号详解

在本应用中，主控芯片型号为TOP249Y，属于POWER Integration Inc公司的TOP Switch系列。该系列芯片以其高度集成的特性，简化了开关电源的设计流程，并提升了系统的整体性能。TOP249Y作为该系列中的一款重要产品，不仅集成了自启动电路、功率开关管、PWM控制电路及多种保护电路，还具备较高的开关频率和灵活的电流、电压调节能力。这些特性使得TOP249Y在变频器用多路输出开关电源的设计中表现出色，满足了设计要求并实现了高效、稳定的电源输出。

综上所述，采用TOP249Y开发变频器用多路输出开关电源是一种高效、可靠的设计方案。通过合理的电路设计和严格的性能测试，可以确保电源在各种工况下都能稳定、高效地工作。