基于TOPSwitch Ⅱ的開關電源設計

1 引言

功率開關管、pwm控制器和高頻變壓器是開關電源必不可少的組成部分。傳統(tǒng)的開關電源一般均采用分立的高頻功率開關管和多引腳的pwm集成控制器，例如采用uc3842＋mosfet是國內小功率開關電源中較為普及的設計方法。

90年代以來，出現(xiàn)了pwm/mosfet二合一集成芯片，他大大降低了開關電源設計的復雜性，減少了開關電源設計所需的時間，從而加快了產品進入市場的速度。

二合一集成控制芯片多采用3腳，4腳，5腳，7腳和8腳封裝，其中美國功率集成公司于97年推出的三端脫線式topswitch ⅱ系列二合一集成控制器件，是該類器件的代表性產品。

2 topswitch ⅱ器件簡介

topswitch系列器件是三端脫線式pwm開關（three－terminal off－line pwm swtich）的英文縮寫。topswitch系列器件僅用了3個管腳就將脫線式開關電源所必需的具有通態(tài)可控柵極驅動電路的高壓n溝道功率的mos場效應管，電壓型pwm控制器，100khz高頻振蕩器，高壓啟動偏置電路，帶隙基準，用于環(huán)路補償?shù)牟⒙?lián)偏置調整器以及誤差放大器和故障保護等功能全部組合在一起了。

topswitch ⅱ系列器件是topswitch的升級產品，同后者相比，內部電路做了許多改進，器件對于電路板布局以及輸入總線瞬變的敏感性大大減少，故設計更為方便，性能有所增強。其型號包括top221－top227，內部結構如圖1所示[1]。

topswitch ⅱ是一個自偏置、自保護的電流－占空比線性控制轉換器。由于采用cmos工藝，轉換效率與采用雙集成電路和分立元件相比，偏置電流大大減少，并省去了用于電流傳導和提供啟動偏置電流的外接電阻。

漏極 連接內部mosfet的漏極，在啟動時，通過內部高壓開關電流源提供內部偏置電流。

源極 連接內部mosfet的源極，是初級電路的公共點和基準點。

控制極 誤差放大電路和反饋電流的輸入端。在正常工作時，由內部并聯(lián)調整器提供內部偏流。系統(tǒng)關閉時，可激發(fā)輸入電流，同時也是提供旁路、自動重啟和補償功能的電容連接點。

控制電壓 控制極的電壓vc給控制器和驅動器供電或提供偏壓。接在控制極和源極之間的外部旁路電容ct，為柵極提供驅動電流，并設置自動恢復時間及控制環(huán)路的補償。在正常工作（輸出電壓穩(wěn)定）時，反饋控制電流給vc供電，并聯(lián)穩(wěn)壓器使vc保持在4.7v。在啟動時，控制極的電流由內部接在漏極和控制極之間的高壓開關電流源提供?？刂茦O電容ct放電至閾值電壓以下時，輸出mosfet截止，控制電路處于備用方式。此時高壓電流源接通，并再次給電容ct充電。通過高壓電流源的接通和斷開，使vc保持在4.7－5.7v之間。

帶隙基準 topswitch ⅱ內部電壓取自具有溫度補償?shù)膸痘鶞孰妷?。此基準電壓也能產生可微調的溫度補償電流源，用來精確地調節(jié)振蕩器的頻率和mosfet柵極驅動電流。

振蕩器 內部振蕩器通過內部電容線性地充電放電，產生脈寬調制器所需的的鋸齒波電壓。為了降低emi并提高電源的效率，振蕩器額定頻率為100khz。

脈寬調制器 流入控制極的電流在re兩端產生的壓降，經rc電路濾波后，加到pwm比較器的同相輸入端，與振蕩器輸出的鋸齒波電壓比較，產生脈寬調制信號，該信號驅動輸出mosfet實現(xiàn)電壓型控制。正常工作時，內部mosfet輸出脈沖的占空比隨著控制極電流的增加而線性減少，如圖2所示[1]。

柵極驅動器 柵極驅動器以一定速率使輸出mosfet導通。為了提高精確度，柵極驅動電流還可以進行微調逐周限流。逐周限流電路用輸出mosfet的導通電阻作為取樣電阻，限流比較器將mosfet導通時的漏源電壓與閾值電壓vilimit進行比較。漏極電流過大時，漏源電壓超過閾值電壓，輸出mosfet關斷，直到下一個周期，輸出mosfet才能導通。

誤差放大器 誤差放大器的電壓基準取自溫度補償帶隙基準電壓；誤差放大器的增益則由控制極的動態(tài)阻抗設定。

系統(tǒng)關閉/自動重動 為了減少功耗，當超過調整狀態(tài)時，該電路將以5％的占空比接通和關斷電源。

過熱保護 當結溫超過熱關斷溫度（135℃）時，模擬電路將關斷輸出mosfet。

高壓偏流源 在啟動期間，該電流源從漏極偏置topswitch ⅱ，并對控制極外界電容ct充電。

在topswitch ⅱ系列中，top225－top227采用to－220封裝形式，而top221－top224則有to－220和dip－8，smd－8三種封裝形式，如圖3所示[1]?？紤]到dip－8和smd－8的散熱情況，采用這2種封裝形式的器件輸出功能要適當降低。

3 topswitch ⅱ應用于反激式功率變換電路

在開關電源電路中，基本類型有5種：單端反激式、單端正激式、推挽式、半橋式和全橋式。對于100w以下的開關電源，多采用單端反激式變換器，反激式功率變換電路中的變壓器，除了起隔離作用之外，還具有儲能的功能。反激式功率變換電路結果比較簡單，輸出電壓不受輸入電壓的限制，亦可提供多路電壓輸出。topswitch ⅱ系列應用于單端反激式變換器，典型用法如圖4所示[2]。

在圖4中，（a）將偏置線圈通過限流電阻直接作為topswitch ⅱ控制極的輸入；（b）在（a）的基礎上增加了穩(wěn)壓管，是（a）的增強型；（c）中輸出電壓通過光耦作用于topswitch ⅱ控制極，在輸出電壓反饋精度上有所提高；（d）在（c）基礎上增加了精密基準tl431，使得輸出穩(wěn)壓精度和負載調整率都能獲得較高的精度。4種變換電路的效果如表1所示。

4 應用實例

圖5為輸入電壓為85－265v，輸出為15v的反激式開關電源實際電路。其采用圖4中（d）的反饋電路形式。

交流電壓經整流橋v2整流和c2濾波后，產生的高壓直流電壓加至變壓器一端，變壓器另一端與top224的漏極相連。r9，c8和v3為緩沖吸收電路，用以吸收top224在關斷過程中由于變壓器漏感引起的電壓尖峰過沖。

偏置線圈經v7和c2整流濾波后產生top224所需的偏置電壓；c6能夠濾除top224內部mosfet柵極充電電流的峰值，確定重新啟動的頻率，并與r1，r2一起補償控制回路。

tlp431并聯(lián)穩(wěn)壓器內部包含2.5v帶隙基準電壓、運算放大器和驅動器，作次級基準誤差放大器用。調節(jié)rp1可對輸出電壓實現(xiàn)微調。當輸出電壓受某種原因發(fā)生波動時，通過tl431等器件組成的反饋電路，改變流過光耦pc817的發(fā)光二極管的電流，從而改變流入top224控制極的電流，調整top224內部mosfet的輸出占空比，使輸出電壓重新穩(wěn)壓。

5 結語

采用topswitch ⅱ器件的開關電源與采用分立的mosfet功率開關及pwm集成控制器的開關電源相比，具有以下特點：

（1）成本低廉

topswitch ⅱ采用cmos工藝制作，并在芯片中集成了盡可能多的功能，故與傳統(tǒng)的功率開關電路相比，偏置電流顯著降低；開關電源所需的功能集成于芯片中后，外部的電流傳感電阻和初始啟動偏壓電流的電路均可除去，可大量減少元器件，使產品的成本和體積均大大減少；

（2）電源設計簡化

topswitch ⅱ器件集成了pwm控制器和高壓mosfet，只需外接一個電容就能實現(xiàn)補償、旁路、啟動和自動重啟功能；

（3）功能完善的保護

topswitch ⅱ具有自動重啟和逐周電流限制功能，可對功率變壓器初級和次級電路的故障進行保護；其還具有過熱保護和過流保護功能，可在電路過載時有效地保護電源。