基于 TOP222 的反激式恒流开关电源

　　LED 相对于传统光源而言具有发光效率高、控制方便、寿命长、环保、节能等优点，逐步在照明、信号指示、医疗设备、仪器仪表等方面替代传统照明方

　　式，并随着 LED 制造技术和驱动技术的进步，其应用范围和应用水平将进一步扩大和提高。

　　LED 的稳定和高效率工作依赖于其驱动电源的驱动方式及效率。LED 的驱动方式主要有恒压式和恒流式 2 种，其中恒流式能够较为精确的控制LED 亮度，对 LED 的串接个数要求较低，并且能够让 LED 更加安全的工作，因而恒流驱动是当前流行的驱动方式。另外在 100 W 以下的开关电源中，反激式开关电源所需元件数量最少，电路简单，成本较低，因而在这一级别的电源中，常常采用反激式拓扑结构。

　　因而，本文设计了一种反激式恒流 LED 驱动电源，其核心元件为美国 Power Integration 公司生产的TOPSwitch－ Ⅱ系列芯片中的 TOP222，集成了 PWM输出，MOSFET 及其驱动，提供了一种单芯片的解决方案，大大简化了电路设计，降低了成本。

　　1 反激式开关电源工作原理

　　反激式开关在 100 W 以下的开关电源领域占有较大的市场份额，其电路原理示意图如图 1 所示。反激式开关的主要由整流电路，滤波电路，变压器及原边吸收电路，主开关及其驱动电路，输出整流滤波电路，电压或电流反馈回路等组成。反激式开关电源的工作模式迥异于其他开关电源拓扑结构，在主开关导通时，变压器原边电流增加，此时副边并不输出能量，变压器存储能量;而当主开关截止时，原边截止，变压器存储的能量通过副边释放到负载上。输出电压或电流的调整通过反馈回路调整主开关的占空比实现。

　　反激式开关电源的设计中，变压器和反馈回路的设计是关键所在，关系到开关电源的效率和输出稳定性。

　　2 基于 TOPSwitch－ Ⅱ的反激式恒流开关电源设计

　　2.1TOPSwitch－ Ⅱ离线单片式开关电源芯片

　　TOPSwitch－ Ⅱ系列离线单片式开关电源芯片是美国 Power Integration 公司生产的开关电源专用芯片，其集成了振荡器、PWM 比较器、逻辑电路、高压

　　MOSFET 功率管及保护电路。TOPSwitch－ Ⅱ芯片内部功能模块见图 2。

　　TOPSwitch－ Ⅱ芯片有 3 个管脚，其中，漏极连接内部 MOSFET 的漏极，在启动时，通过内部高压开关电 流 源 提 供 内 部 偏 置 电 流; 源 极 连 接 内 部MOSFET 的源极，是初级电路的公共点和基准点;控制极是误差放大电路和反馈电流的输入端，在正常工作时，由内部并联调整器提供内部偏流，系统关闭时，可激发输入电流，同时也是提供旁路、自动重启和补偿功能的电容连接点。

　　2.2TOPSwitch－ Ⅱ的反激式恒流开关电源原理

　　鉴于 TOPSwitch－ Ⅱ系列芯片具有集成度高、功能完备、电路简单等优点，本文根据输出功率和输入电源情况选用 TOP222 作为主控芯片，并采用恒流式反馈电路，设计了一种输出电流为 1 A，额定功率为 10W 的反激式恒流电源。该电源的原理图见图3。

　　该反激式恒流式开关电源由整流滤波电路，变压器及原边吸收电路，主控芯片及辅助电路，恒流输出电路，恒流反馈电路等组成。

　　整流滤波电路由共模电感 L1 ，整流桥 BＲ1 和电容 C1 、C2 组成，其中 C1和 L1 主要过滤来自电网的共模干扰，市电经 BＲ 1 整流后形成 310 V 左右的直流，C2 为后级电路存储能量。

　　变压器是反激式开关电源设计的难点和重点之一，其设计的好坏关系到开关电源的工作效率和稳定性。关于本文所涉及的反击恒流式开关电源变压器设计将在下一节详细叙述。瞬态抑制二极管 VＲ1和快恢复二极管 D1 组成变压器 T1 原边的吸收电路，在主开关 U1 截止时能够把变压器原边线圈两端的电压箝位到 200 V 左右的一个固定值，这个固定值加上 C2 两端的电压即为施加在 U1 漏极与源极间的电压，防止 U 1 漏极与源极电压过高而击穿。

　　主控芯片为 TOP222，采用 TO220 封装，共3 根引脚，分别为控制极、漏极和源极。其所需外围芯片极为简单，在控制极需要连接一个电容 C4 为控制极提供偏置电压，并为芯片内部的控制和驱动电路供电。恒流输出电路较为简单，快恢复二极管 D3 保证在 U1 导通时变压器 T1副边绕组电流为零，变压器

　　存储能量，U1 截止时 D3 导通，变压器能量通过 C6、L2、C8 滤波后输出。

　　恒流反馈电路把输出电路的电流以电压的形式负反馈到 U1 的控制极，U1 通过调整开关工作的占空比改变输出回路的输出电压从而保证输出电流恒定。且反馈回路与前级电路通过光耦隔离。恒流反馈电路将在2.4节详细叙述。

　　2.3基于 TOPSwitch－ Ⅱ的反激式开关电源变压器设计

　　所设计的开关电源的初始工作条件和预设输出参数见表 1。

　　表 1 反激式开关电源的初始工作条件和预设输出参数

　　在设计反激式开关电源变压器时，可先由式（1）确定变压器原边与副边绕组匝数之比。

　　

　其中，Np 为原边绕组匝数，Ns 为副边绕组匝数，VMIN为输入交流最小电压，VDS 为主开关导通时漏极源极压降，TOPSwitch－Ⅱ系列为10V，VO为输出电压，VD为输出绕组整流二极管正向压降，为 0.4 V，DMAX为主开关占空比最大值，一般小于 0.64。变压器反馈绕组匝数由式（2）确定。

　其中，NB为反馈绕组匝数，VB为反馈绕组输出电压，采用光耦反馈电路的 VB 一般取 12 V，VBD 为反馈绕组整流二极管正向压降，为 0.7 V。

　　由能量守恒原理可知变压器原边峰值电流：

　　其中，KＲP为电流纹波系数，其值为纹波电流与峰值电流之比，大小在 0.4 ～1.0 之间，可取 0.6。

　　变压器原边绕组电感量为：

　　原边电感 L P 的单位为 μH。其中，Z 为损耗分配因数，一般取 0.5。其他量见表 1。接下来可根据电源输出功率 PO的大小选择合适的磁芯，芯片厂商在设计文档里已经给出了输出功率与可选磁芯的关系表格。一旦选定了磁芯，就可确定磁芯有效磁通面积 A E ，磁芯有效磁路长度L E ，磁芯在不留间隙时与匝数相关的等效电感 AL ，绕线骨架的宽度 WB 。副边绕组匝数 Ns可根据输入电压和输出电压确定，比如输入电压为 230 V AC 时，

　　一旦确定了 N S ，可根据式（1）和式（2）计算得到 N P 和 N B 的大小。为了防止磁芯饱和，应该在磁芯间增加气隙，气隙长度为：

　　根据表 1 给出的初始工作参数和上述公式，最终计算得到的变压器各项参数见表 2。

　　根据上述参数绕制变压器，采用“三明治”绕法，原边绕组分为两组，第 1 组绕完后再绕副边绕组和辅助绕组，最后绕原边绕组的第 2 组。这样能够有效地降低变压器漏感。

　　2.4 恒流反馈回路工作原理

　　恒流反馈回路的电路原理图见图 4。根据输出连接的负载情况，当输出电流小于额定电流时（例如当输出仅连接 1 串 1 W 的 LED 时，其输出电流大约在350 mA），电路工作恒压模式;当电流逐渐增大到额定电流后，该电路工作在恒流模式。

　当该电路工作在恒压模式下时，输出电流小于额定电流 1 A，此时在 Ｒ6 两端产生的电压降小于 0.68 V（Ｒ6 =0.68 Ω），Q2截止，Ｒ5两端的压降为0，Q1也截止，此时输出电压由稳压二极管 D4 ，Ｒ2 两端的电压和 U2 内部发光二极管正向压降决定：

其中，I C 为 TOP222 控制极输出电流，通过其数据手册可知，IC 的平均值为 4.5 mA，CTＲ 为光耦的电流传输率，根据选用的光耦手册，其典型 CTＲ 为120%。由此可计算出 VＲ2 =0.15 V（Ｒ2 =39 Ω）。

　　另外光耦内部发光二极管导通时正向压降的典型值为 1.2 V，选用稳压值为 8．2 V 的稳压二极管，此时输出电压为 9． 55 V。

　　当该电路工作在恒流模式时，Ｒ6 两端的电压降使 Q2 导通，Ｒ5 两端的电压降使 Q1 导通，U2 内部发光二极管正向电流经由 Ｒ3 、Q1、Ｒ2 到地。此时输出电流 IO有下式确定：

　　由上式可知输出电流 IO 约为 1 A。

　　3 反激式恒流电源的实现与测试

　　根据上述内容，本文设计了基于 TOP222 的反激式恒流开关电源，其 PCB 见图 5。同时，根据恒流式开关电源的工作原理，绕制变压器，并合理选择相关元件的参数，制作出了该开关电源，其实物图见图 6。