基于TOP202Y的筆記本電腦電池充電器設計

孟武勝，何 瀟，楊 陽，李 艷

(西北工業大學自動化學院，西安 710072)

1 引言

隨著科技的不斷發展，筆記本電腦的電池會由外置變為內置，這就需要電壓的下降來支持，而電壓的下降又是需要電源供電的可靠性來提供的，這就對電池充電器的要求越來越高，恒功率型單片開關電源對于筆記本電池的充電可靠性提供了保障。

恒功率型單片開關電源的特點是:當輸入電壓Uo 降低時，利用恒功率控制電路迫使輸出電流Io增大，使二者乘積Io×Uo 不變，輸出功率Po 保持恒定。這種開關電源可作為高效、快速、安全的電池充電器，對筆記本電池進行充電。恒功率輸出特性曲線近似為一條雙曲線［4］。

TOP202Y 構成的15V、15W 橫功率型開關電源電路如圖1 所示。輸入電壓從15V(即100% ×Uo)降至7.5V(即50% × Uo)時，恒功率準確度可達±10%。恒功率控制電路由VT1、VT2、VDZ3－VDZ4、R1－R7 構成。VT1 工作在飽和區。VT1 和VT2 應選參數一致性很好的3DK4B 型開關管。R1為電流檢測電阻，VT2 用來監視R1 上的電壓降。該電路具有很好的溫度補償特性，能對VT1、VT2的偏壓以及輸出電壓進行溫度補償［2］。

設計中，由于TOP202Y 芯片集成度高，設計工作主要是外圍電路的設計。外圍電路基本分為輸入整流濾波電路、鉗位保護電路、高頻變壓器、輸出整流濾波電路、恒功率控制電路等部分［1］。

2 輸入整流濾波電路設計

輸入整流濾波電路包括交流濾波、整流、電容穩壓三部分。如圖2 所示。

交流濾波采用技術成熟的Ⅱ型濾波電路，具體參數如下:去除差模干擾的C8、C9為0.1μF/250V;去除共模干擾的C10、C11為10nF;濾波線圈L1為10～33mH，采取雙線并繞。整流電路選擇不可控的整流橋，整流二極管的反向耐壓應大于400V，其承受的沖擊電流應大于額定整流電流的7～10 倍。還應注意，選定的整流二極管的穩態電流容量應為計算值的兩倍。

設計中，選擇800V/3A的整流橋，或選用四個IN4007 作整流二極管構成整流橋。在當前的供電條件下，電容C1的值可根據輸出功率按照1μF/W來取值，在考慮余量后，取C1=22μF/400V。交流電壓輸入范圍為187V－253V［3］。

即:VACmin=187V，VACmax=253V

假設整流橋中二極管導通時間為tc=3ms，可由下兩式得出輸入直流電壓最小值和最大值為:

式中:η——系統效率，可選擇80%;

fL——交流電網頻率;

P0——電源輸出功率。

圖1 15W 恒功率型開關電源的電路

圖2 TOP202Y 整流濾波電路

3 箝位保護電路設計

當TOP202Y的功率MOSFET 管由導通變為截止時，在高頻變壓器T的初級繞組上會產生尖峰電壓和反射電壓，其中尖峰電壓是由于高頻變壓器存在漏感而形成的，它與直流高壓和反射電壓疊加后很容易損壞MOSFET 管。為此，必須設計箝位保護電路，對尖峰電壓進行箝位和吸收。

圖3 中VD1 和VD2 構成的箝位電路可防止高壓對TOP202Y的損壞，VD1 與VD2的選擇由反射電壓VOR決定。一般VOR取135V，VD1 箝位電壓可由經驗公式VCLO=1.5VOR得出，VD2的耐壓值應大于最大直流輸入電壓。

圖3 箝位保護電路

設計中VD1 采用反向擊穿電壓為200V的TVS(瞬態電壓抑制器)P6KE200，VD2 采用反向耐壓為600V的超快恢復二極管BYV26C。

(1)選磁芯

為滿足TOP202Y 芯片100KHz的工作頻率，選用錳鋅鐵氧體材料的磁芯。通常，輸出功率和磁芯截面積有下面的經驗公式:

式中:Ae——變壓器磁芯的有效截面積(cm2);

PO——電源輸出功率(W);

ηt——變壓器的效率，一般取85%。

根據經驗公式的計算，選擇EI－28 鐵氧體磁芯，其有效截面積大于Ae的計算值。

圖4 變壓器繞組

(2)計算最大占空比Dmax

式中:VOR——一次級反射到初級的反射電壓，取135V;

VDS——MOSFET的漏－ 源極通態電壓，取10V。

(3)計算變壓器的初級自感LP

式中:fs——開關頻率，取100KHz;

η——電源效率，可取80%。

(4)計算初、次級繞組匝數

對于AC220V 固定輸入，次級繞組應取0.6 匝/V，輸出電壓Vo=15V，故求得

次級繞組匝數為:

Ns=0.6(Vo+0.7)=10 匝(取整后)

初級繞組匝數為:

反饋繞組匝數為:

VOR——初級反射電壓;取135V;

VFB——反饋電壓，取為10.4V。

(5)計算氣隙長度

式中:Lg——氣隙長度(mm)

μr——常數，4π×10－7H/m

Ae——磁芯截面積(mm2)

這里應注意:如果在中心柱開氣隙，則高度為Lg;為了達到同樣效果且簡單易行，在兩個外柱上應各墊1/2Lg 高度的絕緣墊片。

(6)確定導線線徑

在100KHz 開關頻率下，銅導線的穿透深度是0.21mm，故所選導線的直徑要小于0.42mm。通過計算各繞組的平均電流(IAVG)、峰值電流(IP)、均方根電流(IRMS)可確定出所用導線的線徑。本設計中初級繞組和反饋繞組用線徑0.31mm的導線單股繞，次級繞組用線徑為0.35mm的導線雙股并繞。

4 輸出整流濾波電路的設計

輸出整流濾波電路由整流二極管和濾波電容構成。選用肖特基二極管作為整流二極管可以降低正向導通損耗，如圖5 所示。此外，在降低反向恢復損耗以及消除輸出電壓中的紋波方面也有明顯的性能優勢［5］。選取的原則是根據最大反向峰值電壓。次級繞組的反向峰值電壓VSM為:

式中:VS——次級繞組輸出電壓;

VACmax——輸入交流電壓最大值

圖5 輸出濾波電路

本設計中整流二極管選用MUR420，其反向電壓值VR=200V，工作電流ID=4A，滿足設計要求。

對輸出濾波電容而言，ESR(等效串聯阻抗)和紋波電流是它的兩個重要參數。當電容兩端電壓小于35V時，ESR 只與電容的體積有關，本設計選擇細高型的120μF/35V 低ESR 電容。

輸出濾波電感采用3.3μH的穿心電感，它是近年來問世的一種超小型的非晶合金磁性材料，又叫磁珠電感。其外形呈管狀，引線穿心而過，其直流電阻非常小。它能主動抑制開關噪聲的產生。

為減少共模干擾，在輸出的地與高壓側的地之間接共模抑制電容。

5 恒功率控制部分

恒功率控制電路由5 部分組成(見圖6):

圖6 恒功率控制電路

(1)電壓調節電路(IC2、VDZ2、R5)，利用帶穩壓管的光耦反饋電路使Uo 在恒壓區內保持恒定。

(2)電壓補償電路(VDZ3、R6、R4)，可對VT2的發射結電壓UBE2 進行補償。

(3)電流檢測電阻(R1)。

(4)帶溫度補償的偏壓電路(VT1、R2)，其作用是給VT2 提供偏置電壓UB1，它的發射結壓降UBE1 和UBE2相等且具有相同的溫度系數。

(5)恒流源電路(VDZ4、R7、R3)，給偏壓電路提供恒定的集電極電流IC1。

當Io 較小時，VT2 截止，而VDZ2 處于穩壓區，開關電源工作在恒壓方式下，Uo=15V，此時恒功率電路不工作。設VT2的基極偏壓為UB2，僅當UB2 +UR1=UBE2時，VT2 才開始導通，而VDZ2立即截止，電路就從恒壓控制迅速轉入恒功率控制，并按下述正反饋工作流程工作。

Uo↓→Io↑→UR1 ↑→IF↓→IC↓→D↑→Io↑，使Po 保持不變。

6 分析和結論

通過對三端脫線式PWM 開關TOP Switch 系列器件的研究，將MOSFET 功率開關和PWM 控制器集成在一塊芯片中，組成單片式開關電源，使得開關電源的效率和穩定性大幅度提高，同時大大降低了開關電源的成本、體積、重量。

［1］陳緯.TOP Switch 單片開關電源的原理及應用［J］.機械工程與自動化，2004(5).53－56.

［2］尚修香，侯振義.采用Topswitch 系列芯片的單片開關電源效率研究［J］.電子元器件應用，2007(10):78－80.

［3］曹豐文.TOPSwitch 單片開關電源及其應用［J］.蘇州市職業大學學報，2002(1):52－56.

［4］張發生.由新型TOP224Y 構成12V/40W 開關電源［J］.湖南工程學院學報，2004(1):16－19.

［5］馬瑞卿.一種基于TOP224Y的單片開關電源設計［C］.西安:西北工業大學，2010－2.