CN217693112U - 一种基于top254yn的小功率开关电源电路 - Google Patents

一种基于top254yn的小功率开关电源电路 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种基于TOP254YN的小功率开关电源电路，包括不控整流电路、钳位保护电路、TOP254YN及辅助电路、变压器、直流输出电路及电压反馈电路；不控整流电路中采用单相桥式整流结构将交流电压转换为脉冲直流电压；钳位保护电路包括快恢复二极管D2、电阻R3、R4、R5、R6和R7和滤波电容C4；TOP254YN及辅助电路包括TOP254YN电源芯片、电阻R8和电容C5、C6；电压反馈电路包括隔离光耦、可控精密稳压源、快恢复二极管D5、电阻R12、R13、R14、R15和R16和滤波电容C13、C14和C15；直流输出电路包括肖特基二极管D3及电阻R9和R10、滤波电容C8、C9电感L9。本实用新型具有稳压性能优、成本较低、安全可靠等特点。

Description

一种基于TOP254YN的小功率开关电源电路
技术领域
本实用新型涉及一种开关电源电路，特别涉及一种基于TOP254YN的小功率开关电源电路。
背景技术
随着电子技术和微处理器的发展，电力自动化设备广泛应用在社会的各行各业中，为了更好的服务于各类工业自动化控制中的电力设备，开关电源的设计变得愈发重要。
开关电源主要涉及电力电子技术领域，主要是通过调节高频开关管的导通与关断的时间比值，使得输出端可稳定输出电压的电源技术。开关电源一般由脉冲宽度调制和开关管(MOSFET、IGBT等)构成。随着技术的发展和创新，目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。而TOP254YN电源芯片是由一控制电路集成芯片，其核心芯片由PowerIntegrations公司开发。以较小的体积封装了高压MOSFET、PWM控制器、振荡器，热关闭电路，故障保护等其他控制电路，最高可达30w输出功率。该模块具散热性能强、设计灵活、EMI较低等特点，可以应用在各类开关电源的场合。
显然，小功率的开关电源已经是社会各行各业中不可替代的产品，为了进一步的扩展TOP254电源芯片的适用范围，考虑到反激式变压器要比正激式体积小，且成本较低。因此本实用新型结合具有成本较低、封装较小、工作可靠等优点的TOP254YN电源芯片设计一种基于TOP254YN电源芯片反激式小功率开关电源电路，满足了交直流能源高效转换需求同时，也保证了较优的稳压性能，进一步提升开关电源系统在智能家居、安防系统、工业监测等场合的作用。
实用新型内容
本实用新型的目的是克服现有技术缺陷，提供一种基于TOP254YN的小功率开关电源电路，具有稳压性能优、成本较低、安全可靠等特点。
本实用新型的目的是这样实现的：一种基于TOP254YN的小功率开关电源电路，包括不控整流电路、钳位保护电路、TOP254YN及辅助电路、变压器、直流输出电路及电压反馈电路；
所述不控整流电路包括交流保险丝F1、共模电感L1、桥式整流器D1、电阻R1、R2及滤波电容C1、C2；用于将交流电压转换为脉冲直流电压；
所述钳位保护电路包括快恢复二极管D2、电阻R3、R4、R5、R6和R7和滤波电容C4；用于防止开关管关断及变压器漏感形成的电压尖峰；
所述TOP254YN及辅助电路包括TOP254YN电源芯片、电阻R8和电容C5、C6；用于保证输出电压快速达到理想期望值水平；
所述直流输出电路包括肖特基二极管D3及电阻R9和R10、滤波电容C8、C9电感L9；用于对高频脉冲电压进行整流滤波以及吸收二极管反向恢复尖峰电压；
所述电压反馈电路包括隔离光耦、可控精密稳压源、快恢复二极管D5、电阻R12、R13、R14、R15和R16和滤波电容C13、C14和C15；用于准确获取输出的电压信号，并将分压后的电压信号与可控精密稳压源输出的基准电压源进行比较；
所述不控整流电路分别与钳位保护电路和TOP254YN及辅助电路电连接，所述钳位保护电路分别与变压器和TOP254YN及辅助电路电连接，所述变压器分别与直流输出电路及电压反馈电路电连接，所述TOP254YN及辅助电路与电压反馈电路电连接，所述直流输出电路与电压反馈电路电连接。
本实用新型采用以上技术方案，与现有技术相比有益效果为：信号回路与功率回路的电压、电流等级不一致，将功率回路中的强电压、大电流引入到信号回路中必然会导致用电设备的损坏，因此开关电源选择变压器隔离形式，开关电源电路选择使用变压器隔离的形式，主要是考虑了保护的作用；同时为进一步减少小功率开关电源的体积，选用单端反激式的结构，和其他的变压器隔离形式 (如：正激式、双激式) 相比较，单端反激式结构更为简单，元器件数量较少，尤其减少了一个体积较大的滤波电感。同时反激式电路在变压器原边开关管导通期间不向副边提供功率输出，电能转为变压器中的磁场能，仅在开关管关断时，变压器中存储的能量才会转为电动势。因此无需考虑磁复位等问题。采用PowerIntegrations的TOP254YN，此芯片能在-40至+150°C的温度范围内工作，且成本和功耗均较低，能在各种情况下保证输出电压均快速能达到理想期望值水平，且输出电流带载能力强。并且此电源芯片可灵活择电路模式保证负载的效率最大化。
作为本实用新型进一步限定，所述不控整流电路的输入端与220V交流电电连接，所述220V交流电的一端与交流保险丝F1串联连接；所述共模电感L1、电阻R1、R2、滤波电容C1及桥式整流器D1的输入端并联连接，所述桥式整流器D1的输出端并联有一直流滤波电容C2，所述桥式整流器D1的输出正极与钳位保护电路中用于电源芯片引脚上拉的两串联电阻R3、R4的一端及变压器的1号引脚串联连接。
作为本实用新型进一步限定，所述钳位保护电路中用于电源芯片引脚上拉的两串联电阻R3、R4的另一端与TOP254YN电源芯片的1号引脚电连接；所述快恢复二极管D2的阳极与变压器的3号引脚及TOP254YN电源芯片的6号引脚串联连接。
作为本实用新型进一步限定，所述TOP254YN及辅助电路的TOP254YN电源芯片的2、4、5号引脚与所述不控整流电路的桥式整流器D1的输出负极及变压器的4号引脚电连接。
为了使得输出电压更为稳定，所述直流输出电路的肖特基二极管D3的阳极与变压器的9号引脚电连接，所述变压器的10号引脚与地线电连接。
作为本实用新型进一步限定，所述电压反馈电路的隔离光耦选用4引脚形式，所述隔离光耦的3号引脚与所述TOP254YN电源芯片的3号引脚电连接，所述电压反馈电路的快恢复二极管D5的阳极与变压器的5号引脚电连接，所述隔离光耦的1号引脚通过限流电阻R13与直流输出电路的滤波电感L9靠近变压器的一侧电连接。
作为本实用新型进一步限定，所述变压器采用规格为EE25-01立式高频变压器。
附图说明
图1为本实用新型的结构框图。
图2为本实用新型的不控整流电路的电路原理图。
图3为本实用新型的钳位保护电路及变压器的电路原理图。
图4为本实用新型的TOP254YN及辅助电路的电路原理图。
图5为本实用新型的直流输出电路的电路原理图。
图6为本实用新型的电压反馈电路的电路原理图。
具体实施方式
以220V输入，5V输出的小功率开关电源电路为例，如图1所示的一种基于TOP254YN的小功率开关电源电路，包括不控整流电路、钳位保护电路、TOP254YN及辅助电路、变压器、直流输出电路及电压反馈电路；不控整流电路包括交流保险丝、共模电感、桥式整流器、电阻及滤波电容；钳位保护电路包括快恢复二极管、电阻和滤波电容；TOP254YN及辅助电路包括TOP254YN电源芯片、电阻和电容；直流输出电路包括肖特基二极管及电阻、滤波电容和滤波电感；电压反馈电路包括隔离光耦、可控精密稳压源、快恢复二极管、电阻和滤波电容；不控整流电路分别与钳位保护电路和TOP254YN及辅助电路电连接，钳位保护电路分别与变压器和TOP254YN及辅助电路电连接，变压器分别与直流输出电路及电压反馈电路电连接，TOP254YN及辅助电路与电压反馈电路电连接，直流输出电路与电压反馈电路电连接。
如图2所示，不控整流电路输入端与220V交流电电连接，不控整流电路中桥式整流器输出正极与钳位保护电路中用于电源芯片引脚上拉的两串联电阻R3、R4一端及变压器的1号引脚串联电连接。220V交流电的一端与交流保险丝F3A/250V串联电连接，滤波电容C1、两串联电阻(R1、R2)、共模电感L1及桥式整流器D1的输入端并联电联接，桥式整流器的输出端并联电连接有一滤波电容C2。C1选用220nF耐压275V交流电容；C2选用100nF耐压400V直流电容，桥式整流器选用KBP307直插整流桥堆(限流3A，耐压1000V)，共模电感设计为5mH。
如图3所示，图中虚线部分为所述变压器，其余为钳位保护电路，钳位保护电路中用于电源芯片引脚上拉的两串联电阻R3、R4(2MΩ，2W)的另一端与TOP254YN电源芯片的1号引脚电连接。钳位保护电路中快恢复二极管D2的阳极与变压器的3号引脚及TOP254YN电源芯片的6号引脚串联电连接。通过电阻R5、R6(43kΩ，2W)、电容C4(3.9Nf，耐压1kV)、快恢复二极管D2(FR106)可起到钳位保护作用。TOP254YN电源芯片内部开关管导通时，钳位保护电路中快恢复二极管D2反向截止，而开关管关断时，快恢复二极管D2导通，反电动势转移到耐高压的电容C4上，并被保护电路中功率电阻R5、R6所消耗。且变压器的具体设计采用EE25-01立式高频变压器，并采用0.44mm漆包线结合三明治绕线方法制作，每层绕线通过绝缘胶布隔离；变压器是采用三明治绕线方法，减小变压器的漏感，减少变压器原边和副边的高频干扰，从而间接减少电压芯片内部开关管的尖峰电压。原边、副边及电压反馈电路对应的反馈端绕组分别设计为44匝、2匝、6匝。
如图4所示，TOP254YN及辅助电路中TOP254YN电源芯片2、4、5号引脚与不控整流电路中桥式整流器的输出负极及变压器的4号引脚电连接，电阻R8(6.8Ω)及滤波电容C6(47uF，耐压10V)串联电连接后并联电连接在TOP254YN的3号及5号引脚两端，且TOP254YN的3号及5号引脚两端并联电连接滤波电容C5(0.1uF，耐压50V)；电阻R8、电容C6及C5的作用是滤除电源芯片3号控制引脚输出的直流分离及高频噪声信号。开关电源电路采用反激式拓扑结构并采用Power Integrations公司开发TOP254YN电源芯片。
如图5所示，直流输出电路中肖特基二极管D3的阳极与变压器的9号引脚电连接。变压器的10号引脚与地线电连接，图中+V1及DGND两端电压即为直流输出电压，为保证输出端电压稳定，无高频噪声干扰，需对高频脉冲电压进行整流滤波，为此如图5所示选用低功耗、高速肖特基二极管SB560，并联电连接电阻R9及电容C7以此吸收二极管反向恢复尖峰电压。使得输出电压更为稳定。
如图6所示，电压反馈电路中隔离光耦选用4引脚形式的TLP521-1，且隔离光耦TLP521-1的3号引脚与所述TOP254YN电源芯片3号引脚电连接，电压反馈电路中的快恢复二极管D5(选用FR106)阳极与变压器的5号引脚电连接。隔离光耦TLP521-1的1号引脚通过限流电阻R13并与直流输出电路中滤波电感L9靠近变压器一侧电连接。直流输出端电压采用两个相同阻值的精密电阻R15、R16分压，以此准确获取输出的电压信号。并将分压后的电压信号与可控精密稳压源TL431输出的基准电压源+2.5V进行比较，当分压后的电压大于基准电压+2.5V，即表示直流输出电压大于期望值，此时隔离光耦TLP521-1的输入端电流增加，电压芯片TOP254YN中3号引脚输出脉宽调制占空比减小，使得输出电压幅值下降，使其接近期望值。同时在电压反馈电路中，隔离光耦输入端1号及2号引脚并联电连接阻值较大电阻，可防止过大的电流流入隔离光耦，可控精密稳压源1号及3号引脚并联电连接滤波电容，用于改善基准电压高频噪声。可控精密稳压源1号及2号引脚并联电连接滤波电容C14，使得可控精密稳压源软启动，缓解通电时冲击电压。
本实用新型工作时，不控整流电路中采用单相桥式整流将交流电压转换为脉冲直流电压，钳位保护电路由快恢复二极管FR106及电阻电容构成，防止开关管关断及变压器漏感形成的电压尖峰，电压反馈电路由隔离光耦TLP521-1、可控精密稳压源TL431及电阻电容构成，输出电压经紧密电阻分压后与可控精密稳压源TL431的+2.5V基准电压进行比较，反馈信号经隔离光耦TLP521-1隔离后与电源芯片TOP254YN的3号引脚电连接，改变电源芯片TOP254YN的输出占空比，从而高效率的调节输出电压。
本实用新型并不局限于上述实施例，在本实用新型公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本实用新型的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于TOP254YN的小功率开关电源电路，其特征在于，包括不控整流电路、钳位保护电路、TOP254YN及辅助电路、变压器、直流输出电路及电压反馈电路；
所述不控整流电路包括交流保险丝F1、共模电感L1、桥式整流器D1、电阻R1、R2及滤波电容C1、C2；用于将交流电压转换为脉冲直流电压；
所述钳位保护电路包括快恢复二极管D2、电阻R3、R4、R5、R6和R7和滤波电容C4；用于防止开关管关断及变压器漏感形成的电压尖峰；
所述TOP254YN及辅助电路包括TOP254YN电源芯片、电阻R8和电容C5、C6；用于保证输出电压快速达到理想期望值水平；
所述直流输出电路包括肖特基二极管D3及电阻R9和R10、滤波电容C8、C9电感L9；用于对高频脉冲电压进行整流滤波以及吸收二极管反向恢复尖峰电压；
所述电压反馈电路包括隔离光耦、可控精密稳压源、快恢复二极管D5、电阻R12、R13、R14、R15和R16和滤波电容C13、C14和C15；用于准确获取输出的电压信号，并将分压后的电压信号与可控精密稳压源输出的基准电压源进行比较；
所述不控整流电路分别与钳位保护电路和TOP254YN及辅助电路电连接，所述钳位保护电路分别与变压器和TOP254YN及辅助电路电连接，所述变压器分别与直流输出电路及电压反馈电路电连接，所述TOP254YN及辅助电路与电压反馈电路电连接，所述直流输出电路与电压反馈电路电连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于TOP254YN的小功率开关电源电路，其特征在于，所述不控整流电路的输入端与220V交流电电连接，所述220V交流电的一端与交流保险丝F1串联连接；所述共模电感L1、电阻R1、R2、滤波电容C1及桥式整流器D1的输入端并联连接，所述桥式整流器D1的输出端并联有一直流滤波电容C2，所述桥式整流器D1的输出正极与钳位保护电路中用于电源芯片引脚上拉的两串联电阻R3、R4的一端及变压器的1号引脚串联连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于TOP254YN的小功率开关电源电路，其特征在于，所述钳位保护电路中用于电源芯片引脚上拉的两串联电阻R3、R4的另一端与TOP254YN电源芯片的1号引脚电连接；所述快恢复二极管D2的阳极与变压器的3号引脚及TOP254YN电源芯片的6号引脚串联连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于TOP254YN的小功率开关电源电路，其特征在于，所述TOP254YN及辅助电路的TOP254YN电源芯片的2、4、5号引脚与所述不控整流电路的桥式整流器D1的输出负极及变压器的4号引脚电连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于TOP254YN的小功率开关电源电路，其特征在于，所述直流输出电路的肖特基二极管D3的阳极与变压器的9号引脚电连接，所述变压器的10号引脚与地线电连接。
6.根据权利要求1所述的一种基于TOP254YN的小功率开关电源电路，其特征在于，所述电压反馈电路的隔离光耦选用4引脚形式，所述隔离光耦的3号引脚与所述TOP254YN电源芯片的3号引脚电连接，所述电压反馈电路的快恢复二极管D5的阳极与变压器的5号引脚电连接，所述隔离光耦的1号引脚通过限流电阻R13与直流输出电路的滤波电感L9靠近变压器的一侧电连接。
7.根据权利要求1所述的一种基于TOP254YN的小功率开关电源电路，其特征在于，所述变压器采用规格为EE25-01立式高频变压器。
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