TOPSwitchGX系列第四代單片開關電源的原理

TOPSwitchGX系列是美國PowerIntegrations公司繼TOPSwitchFX之后，于2000年底新推出的第四代單片開關電源集成電路，并將作為主流產品加以推廣。下面詳細闡述TOPSwitchGX的性能特點、產品分類和工作原理。

1TOPSwitchGX的性能特點及產品分類

1.1性能特點

（1）該系列產品除具備TOPSwitchFX系列的全部優(yōu)點之外，還將最大輸出功率從75W擴展到250W，適合構成大、中功率的高效率、隔離式開關電源。

（2）采用TO2207C封裝的TOP242～TOP249產品，新增加了線路檢測端（L）和從外部設定極限電流端（X）這兩個引腳，用來代替TOPSwitchFX的多功能端（M）的全部控制功能，使用更加靈活、方便。

（3）將開關頻率提高到132kHz，這有助于減小高頻變壓器及整個開關電源的體積。

（4）當開關電源的負載很輕時，能自動將開關頻率從132kHz降低到30kHz（半頻模式下則由66kHz降至15kHz），可降低開關損耗，進一步提高電源效率。

（5）采用了被稱作EcoSmart的節(jié)能新技術，顯著降低了在遠程通／斷模式下芯片的功耗，當輸入交流電壓是230V時，芯片功耗僅為160mW。

1.2產品分類

根據(jù)封裝形式和最大連續(xù)輸出功率的不同，TOPSwitchGX系列可劃分成三大類、共14種型號，詳見表1。型號中的后綴P、G、Y分別表示DIP8B、SMD8B、TO2207C封裝。

表1TOPSwitchGX的產品分類及最大連續(xù)輸出功率POM

TOPSwitchGX的引腳排列如圖1所示。其中，TO2207C封裝有6個引出端，它們分別是控制端C，線路檢測端L，極限電流設定端X，源極S，開關頻率選擇端F，漏極D。利用線路檢測端（L）可實現(xiàn)四種功能：過壓（OV）保護；欠壓（UV）保護；電壓前饋（當電網電壓過低時用來降低最大占空比）；遠程通／斷（ON／OFF）和同步。而利用極限電流設定端（X），可從外部設定芯片的極限電流。DIP8B和SMD8B封裝仍保留多功能端M，并未設置開關頻率選擇端F，故等效于四端器件。其余引腳功能與TOPSwitchFX相同。

圖1TOPSwitchGX的引腳排列(a)TO2207C封裝(b)DIP8B和SMD8B封裝

圖2TOPSwitchGX的內部框圖

3TOPSwitchGX的工作原理

采用Y封裝的TOPSwitchGX系列產品，其內部框圖如圖2所示。電路主要由18部分組成：

（1）控制電壓源；

（2）帶隙基準電壓源；

（3）頻率抖動振蕩器；

（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）；

（6）過流保護電路；

（7）門驅動級和輸出級；

（8）具有滯后特性的過熱保護電路；

（9）關斷／自動重起動電路；

（10）高壓電流源；

（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）線路檢測端和極限電流設定端的內部電路；

（16）輕載時自動降低開關頻率的電路；

（17）停止邏輯；

（18）開啟電壓為1V的電壓比較器。

它與TOPSwitchFX的主要區(qū)別為：新增加了第（16）、（17）、（18）項單元電路；給電流極限調節(jié)器也增加了軟起動輸出端；將頻率抖動振蕩器產生的開關頻率提升到132kHz（全頻模式）或66kHz（半頻模式）；給頻率抖動振蕩器增加了一個“停止邏輯”（STOPLOGIC）電路，使之工作更為可靠。TOPSwitchGX的工作原理仍然是利用反饋電流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VO降低時，經過光耦反饋電路使得IC減小，占空比則增大，輸出電壓隨之升高,最終使VO維持不變。

TOPSwitchGX與TOPSwitchFX的性能比較，詳見表2。下面重點闡述TOPSwitchGX新增功能電路的原理。

3.1輕載時自動降低開關頻率的電路

對TOPSwitchGX而言，開關頻率及占空比能隨輸出端負載的降低而自動減小。其減小量與控制端流入的電流成反比。當控制端電流逐漸增大時，占空比能線性地減少到10％，但是當負載很輕時，占空比可低于10％。與此同時，開關頻率也減少到最小值，以提高開關電源在輕載下的效率。當開關頻率的正常值（即典型值）為132kHz時，頻率最小值為30kHz，在半頻模式下開關頻率正常值為132kHz／2=66kHz，此時頻率最小值就降至15kHz。該特性能保證開關電源在輕載時，仍保持良好的調節(jié)功能，并且降低了電源的開關損耗。開關頻率f和占空比D與控制端電流IC的關系如圖3所示。

圖3開關頻率和占空比與控制端電流的關系曲線

(a)fIC關系曲線(b)DIC關系曲線

表2TOPSwitchGX與TOPSwitchFX的性能比較

進一步分析可知，開關損耗是由片內功率開關管MOSFET的電容損耗和開關交疊損耗這兩部分構成的。這里講的電容損耗亦稱CV2f損耗，它是指儲存在MOSFET輸出電容和高頻變壓器分布電容上的電能，要在每個開關周期開始時被泄放掉而產生的損耗。交疊損耗則是由于MOSFET存在開關時間而產生的。在MOSFET的通／斷過程中，有效的電壓和電流同時加到MOSFET上的時間很短，而MOSFET的開關交疊時間較長，這勢必造成功率損耗。單片開關電源內部加有很小的米勒（Miller）電容，使得MOSFET的開關速度更快，其交疊損耗僅為分立開關電源的1/10左右，可忽略不計。但是，由TOPSwitchGX構成的開關電源在額定輸出功率下，MOSFET的電容損耗仍占總功耗的7％左右，這是不容忽視的問題。特別當開關電源的負載很輕時，電容損耗在總功耗中所占份額還會進一步增加。因此，輕載時令TOPSwitchGX處于低頻開關狀態(tài)，這對于降低MOSFET的電容損耗至關重要。

3.2內部極限電流與外部可編程極限電流

TOPSwitchGX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ILIMIT的最小值、典型值和最大值見表3，測試條件為芯片結溫TJ=25℃。ILIMIT會隨環(huán)境溫度的升高而增大。TOPSwitchGX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。將TOPSwitchGX與TOPSwitchⅡ進行比較后不難發(fā)現(xiàn)，TOPSwitchGX的極限電流容許偏差要小得多。例如TOP223P/Y的容差為1.00±0.1A，相對偏差達(±0.1/1.00)×100％=±10％。而TOP244P/G的容差為1.00±0.07A，相對偏差減小到(±0.07/1.00)×100％=±7％。這表明，用TOP244P/G代替TOP223P/Y來設計開關電源時，由于TOP244P/G不需要留出過多的極限電流余量并且它把最大占空比提高到78％（TOPSwitchⅡ僅為67％），因此在相同的輸入功率／輸出電壓條件下，TOPSwitchGX要比同類TOPSwitchⅡ的輸出功率高出10％～15％，并且還能降低外圍元件的成本。

為方便用戶使用，也可從外部通過改變極限電流設定端（X）的流出電流IX（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（30％

～100％）·ILIMIT。

表3內部自保護極限電流值

3.3遠程通／斷

TOPSwitchGX是通過改變線路檢測端流入（或流出）電流IX的大小及方向，來控制開關電源通、斷狀態(tài)的。線路檢測端內部還增加了開啟電壓為1V的電壓比較器，此開啟電壓可用于遠程通／斷控制。對于P/G封裝的芯片，把晶體管或光耦合器的輸出接到多功能端（M）與源極（S）之間，就用正邏輯信號（高電平）起動開關電源，加低電平信號則關斷；而接在多功能端與控制端（C）之間，就改用負邏輯信號（低電平）起動開關電源，加高電平則關斷。對于Y封裝的芯片，將晶體管或光耦的輸出分別接極限電流設定端（X）、線路檢測端（L），亦可對開關電源的通／斷進行遙控。