TOPSwitch?FX系列單片開關電源的原理與應用
1性能特點及管腳功能
1.1性能特點
(1)該系列產品除具備TOPSwitch?Ⅱ系列的全部優(yōu)點之外,還增加了軟起動、外部設定極限電流、過壓關斷、欠壓保護、過熱滯后關斷、遙控、同步等功能;
(2)只需改變開關頻率選擇端和多功能端的外部接線,即可實現(xiàn)14種控制功能:全頻工作方式,半頻工作方式,同時實現(xiàn)過壓和欠壓保護,僅過壓保護,僅欠壓保護,從外部設定極限電流,控制開關電源通/斷等;
(3)增加了外部可編程設定極限電流ILIMIT及頻率抖動功能,不僅使用方便,還能有效抑制高次諧波干擾;
(4)當開關電源的負載減輕時,它采取跳過周期的方式來降低占空比,使輸出電壓保持穩(wěn)定。即使空載時也不用接假負載。
1.2管腳功能
TOPSwitch?FX系列包括TOP232P/G/Y、TOP233P/G/Y、TOP234P/G/Y共9種型號,尾綴P、G、Y分別表示DIP?8、SMD?8、TO?220?7B封裝。其最大輸出功率為75W。其中,TO?220?7B封裝有5個引出端,它們分別是控制端C,多功能端M,源極S,開關頻率選擇端F,漏極D。DIP?8和SMD?8封裝沒有F端,等效于四端器件。多功能端主要有6種功能:
(1)線路過壓(OV)保護;
(2)線路欠壓(UV)保護;
(3)利用線路電壓前饋來降低空比Dmax;
(4)從外部設定芯片的極限電流I′LIMIT;
(5)遙控(亦稱遠程通/斷);
(6)外同步。
將開關頻率選擇端接源極時,開關頻率f=130kHz;接控制端時,開關頻率變成f/2=65kHz。若將M、F端均接S極,TOPSwitch?FX即工作在三端模式下,與TOPSwitch?Ⅱ相似。
2TOPSwitch?FX的工作原理
TOPSwitch?FX的內部框圖如圖1所示。主要由15部分組成:
(1)控制電壓源(由控制電壓UC向并聯(lián)調整器和門驅動級提供偏壓,而控制端電流IC則能調節(jié)占空比);
(2)帶隙基準電壓源(給內部提供各種基準電壓);
(3)頻率抖動振蕩器(產生鋸齒波SAW,時鐘信號CLK和最大占空比信號Dmax);
(4)并聯(lián)調整器/誤差放大器;
(5)脈寬調制器(含PWM比較器和觸發(fā)器,通過改變控制端電流IC的大小,連續(xù)調節(jié)脈沖占空比);
(6)過流保護電路;
(7)門驅動級和輸出級(內含耐壓為700V的功
率開關管MOSFET);
(8)具有滯后特性的過熱保護電路(當芯片結溫
Tj>135℃時關斷輸出級;當Tj70℃時芯片才恢復正常工作);
(9)關斷/自動重起動電路(當調節(jié)失控時,立即使芯片在低占空比下工作。倘若故障已排除,就自動重新起動電源恢復正常工作);
(10)高壓電流源(提供偏流用);
(11)軟起動電路;
(12)欠壓比較器;
(13)電流極限比較器;
(14)線路比較器;
(15)多功能端的內部電路。
TOPSwitch?FX的工作原理是利用反饋電流IC來調節(jié)占空比D,達到穩(wěn)壓目的。舉例說明,當輸出電壓UO↑時,經過光耦反饋電路使得IC↑→D↓→UO↓,最終使UO不變。
2.1頻率抖動振蕩器及開關頻率的設定
所謂頻率抖動特性是指把開關頻率調制在很窄頻段內,以降低與基本開關頻率的各次諧波相關的電磁干擾的幅度。TOPSwitch?FX的內部振蕩器增加了“頻率抖動”功能。當基本開關頻率f1=130kHz時,開關頻率就以250次/s的速率在±4kHz的頻段內抖動,實際開關頻率f2=f1±△f1=(130±4)kHz=(126~134)kHz。由于f2是在窄范圍內偏移的可變頻率,因此能有效抑制由130kHz基頻及其高次諧波所產生的干擾。諧波次數(shù)愈高,頻率抖動的優(yōu)點愈顯著。例如,用此法可將開關頻率的5次諧波噪聲的平均值衰減10dB以上。選擇半頻工作方式時,基本開關頻率為65kHz,抖動范圍是±2kHz,實際開關頻率f2=(63~67)kHz。
2.2脈寬調制器與最大占空比
當控制端電流IC在規(guī)定范圍內,而多功能端的輸入電流IM為定值時,脈寬調制器的輸出占空比D與IC成反比。PWM的增益為
K=△D/△IC=-22%/mA
實際上,占空比不僅與IC有關,還取決于IM值,這是它與TOPSwitch?Ⅱ的重要區(qū)別之一。
2.3跳過周期與最小占空比
如果開關電源的負載非常輕,以至于開關電源在最小占空比(Dmin=1.5%)之下所提供的輸出功率,仍然超過負載上的功耗,TOPSwitch?FX就采用跳過周期的工作方式進一步降低輸出功率,來提高輕載電壓的穩(wěn)定性。根據(jù)負載變化情況,開關電源能在正常工作和跳過周期方式二者之間自動轉換,而無須其他控制。如不需要跳過周期,可在電源輸出端接上最小負載RLmin,使D>Dmin=1.5%。
2.4內部極限電流與外部可編程極限電流
TOPSwitch?FX的漏極極限電流,既可由內部設定,亦可從外部設定。這是它與TOPSwitch?Ⅱ的另一顯著區(qū)別。其內部自保護極限電流值見表1。TOPSwitch?FX在每個開關周期內都要檢測MOSFET漏-源極導通電阻RDS(ON)上的漏極峰值電流ID(PK)。當ID(PK)>ILIMIT時,過流比較器就輸出高電平,依次經過觸發(fā)器、主控門和驅動級,將MOSFET關斷,起到過流保護作用。為方便用戶使用,也可從外部通過改變多功能端的流出電流IM(用負值表示,單位是μA),來設定極限電流I′LIMIT值。I′LIMIT的設定范圍是(40%~100%)·ILIMIT。令KI=I′LIMIT/ILIMIT,KI表示極限電流的衰減因數(shù),它與IM的關系曲線如圖2所示。使用時只需在M?S極之間接一只極限電流設定電阻RIL,通過改變RIL的阻值來調節(jié)IM的大小,即可從外部設定I′LIMIT值。以TOP233Y為例,其ILIMIT=1.00A(典型值)。當RIL=25kΩ時,I′LIMIT=40%·ILIMIT=0.4A。當RIL=6.7kΩ時,I′LIMIT=100%ILIMIT=1.0A。顯然,每改變一次RIL的阻值,就重新設定一次I′LIMIT值,這就是“可編程”的真正含義。
表1內部自保護極限電流值
TOPSwitch?FX系列產品型號 | TOP232 | TOP233 | TOP234 | |
---|---|---|---|---|
自保護極限電流值 | 典型值:ILIMIT(A) | 0.500 | 1.000 | 1.500 |
最小值:ILIMIT(min)(A) | 0.465 | 0.930 | 1.395 | |
最大值:ILIMIT(max)(A) | 0.535 | 1.070 | 1.605 |
通過控制流入(或流出)多功能端的電流IM,就能接通或關斷TOPSwitch?FX。這樣很容易用幾種不同方式來遙控TOPSwitch?FX。例如將通/斷信號(ON/OFF)經過晶體管或光耦合器加到M?S極之間,即可起動或關斷開關電源。這種遙控方式不僅損耗小、電路成本低,而且能省掉機械開關,并可利用微處理器控制導通與關斷脈沖。在噴墨打印機和激光打印機中常采用這種控制方法。
用ON激活方式控制開關電源通/斷的電路如圖3所示。通/斷控制信號(ON/OFF)通過NPN型晶體管VT接M端,亦可用光耦合器或手動開關來代替晶體管。當ON/OFF=1(高電平)時,VT導通,M端呈低電位。此時UC>UM,控制端就有電流經內部電路流入M端且不會出現(xiàn)欠壓或過壓狀態(tài)(即IUV 3.1多路輸出的35W機頂盒開關電源 機頂盒是互交式電視(ITV)的關鍵技術,利用它可提供數(shù)字廣播電視、視頻與音樂點播、卡拉OK、三維游戲、高速上網、在線購物、語音提示等功能強大的寬帶多媒體服務。具有五路輸出的35W機頂盒開關電源電路如圖4所示。這五路電壓分別為:UO1(+30V、100mA),UO2(+18V、550mA),UO3(+5V、2.5A),UO4(+3.3V、3A),UO5(-5V、100mA)。其中,+5V和+3.3V作為主輸出,其余各路均為輔輸出。當交流輸入電壓UI=220VAC±15%時,總輸出功率達38.5W;若采用寬范圍電壓輸入(UI=85~265VAC),總輸出功率就降成25W。該電源采用3片IC:TOP233Y(IC1);線性光耦合器LTV817A(IC2);可調式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431C(IC3)。為減小高頻變壓器體積和增強磁場耦合程度,次級繞組采用了堆疊式繞法。由R4和C14構成的吸收電路可降低射頻噪聲對電視機等視頻設備的干擾。必要時還可將開關頻率選擇端(F)改接控制端(C),選擇半頻方式以進一步降低電視機對視頻噪聲的敏感程度。 圖1TOPSwitch?FX的內部框圖 圖2KI與IM的關系曲線 圖3控制開關電源通/斷電路 圖4多路輸出的35W機頂盒開關電源電路 圖5由MCU控制的TOPSwitch?FZ單片開關電源 R6、R7和R8為比例反饋電阻,使5V和3.3V電源按照一定的比例進行反饋,這兩路輸出的負載調整率均可達±5%。R9和C16構成TL431C的頻率補償網絡。C17為軟起動電容,取C17=22μF時可增加4ms的軟起動時間,再加上本身已有10ms的軟起動時間,總共為14ms。其余各路輸出未加反饋,輸出電壓均由高頻變壓器的匝數(shù)比來確定。因-5V電源的輸出功率很低,現(xiàn)通過電阻R2和穩(wěn)壓管VDZ2進行電壓調節(jié)。R9是+30V輸出的假負載,它能降低該路的空載及輕載電壓。鑒于5V、3.3V和18V電源的輸出功率較大,三者都增加了后級LC濾波器(L3和C9、L4和C11、L2和C7),以減小輸出紋波電壓。 TOP233Y具有頻率抖動特性,這對降低電磁干擾很有幫助;再合理地選擇安全電容C15和EMI濾波器(C6、L1)的元件值,就能使開關電源產生的電磁輻射達到CISPR2(FCCB)國際標準。將C15的一端接UI的正極,能把TOP233Y的共模干擾減至最小。需要指出,C15和C6都稱作安全電容,區(qū)別只是C15接在高壓與地之間,能濾除初、次級耦合電容產生的共模干擾,在IEC950國際標準中稱之為“Y電容”。C6則接在交流電源進線端,專門濾除電網線之間的串模干擾,被稱作“X電容”。為承受可能從電網線竄入的雷擊電壓,在交流輸入端還并聯(lián)一只標稱電壓U1mA=275V的壓敏電阻器VSR。U1mA表示當壓敏電阻器上通過1mA的直流電流時元件兩端的電壓值。 3.2由MCU控制的TOPSwitch?FX單片開關電源 利用微控制器可對由TOPSwitch?FX構成的噴墨打印機、激光打印機等計算機外部設備中的開關電源進行控制,電路如圖5所示。開關電源部分主要由TOPSwitch?FX(IC1)、光耦合器(IC2)組成??刂齐娐穭t包括微控制器(MCU)、兩片LTV817A線性光耦合器(IC3、IC4)、按鈕開關SB。僅當按下SB時產生的信號才有效,抬起時信號不起作用。SB上不需要加防抖動電路,這是因為開關電源的軟起動時間(約10ms)和MCU的復位及初始化時間能起到延遲作用,可以避開按下SB時產生抖動干擾的時間;并且僅當開關被按下至少達到上述時間,才能通過MCU接通開關電源。這就要求必須將SB按到底,而不要輕輕點擊一下,以確保電源起動。MCU完成復位及初始化后檢測到IC3發(fā)來的開機信號,再通過IC4去鎖定開關電源。光耦IC3、IC4中的LED發(fā)光管和光敏三極管,分別用LED3和VT3、LED4和VT4表示?,F(xiàn)將LED3接在控制端與SB上端之間,VT3接在MCU的邏輯輸入端。常態(tài)下LED3上無電流通過,IC3不工作。MCU的邏輯輸出端經過隔離二極管VD6和電阻R4接LED4的正極。VT4則接在M、S端之間。因M端本身具有限流功能,故VT4不需要另加限流電阻。CM為多功能端的消噪電容。 當用戶首次按下SB時,VD4導通,M端經VD4與S極接通,TOPSwitch?FX即工作在三端模式,多功能端(M)和開關頻率設定端(F)不起作用,此時LED3上有電流通過,VT3就給MCU發(fā)出起動信號。若最初開關電源是處于關斷狀態(tài)(M端懸空)則首次按下SB時就接通電源,+5V輸出電壓UCC為MCU提供工作電源電壓。MCU接收到起動信號后就令VT4導通,使開關電源保持在接通狀態(tài),能夠正常輸出。當用戶再次按下SB時就發(fā)出關斷信號,MCU接收到信號后就執(zhí)行關斷程序,將噴墨打印機的打印頭停在安全位置上。一旦執(zhí)行完關斷程序,MCU就令VT4截止,將M端懸空,開關電源進入關斷模式,此時TOPSwitch?FX處于低功耗狀態(tài),當UI=230VAC時芯片功耗僅為160mW。假如用作DVD中的開關電源時,關斷程序還能把數(shù)據(jù)和設定狀態(tài)一并存入E2PROM中,即使掉電后也不致于丟失。
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