TOPSwitch單片開關(guān)電源的原理與應(yīng)用(單片開關(guān)電源技術(shù)講座之一)

摘要：三端單片開關(guān)電源是目前國際90年代才開始流行的新型開關(guān)電源芯片。本文闡述其性能特點、工作原理及兩種典型應(yīng)用電路。

關(guān)鍵詞：單片開關(guān)電源 脈寬調(diào)制 誤差放大器 光耦 反饋

The Principle and Application of TOPS witch

Single-chip Switching Power Supply

Abctract: Thre-ends single-chip switching power suply is a new type switching power supply core which has been popular since 1990. This paper introduces properties and principle of the core as well as two types of applicational circuit.

Keywords: Single-chip switching power supply, PWM, Error amplifler, Optical courling, Feedback

　　單片開關(guān)電源具有單片集成化、最簡外圍電路、最佳性能指標(biāo)、能構(gòu)成無工頻變壓器開關(guān)電源等顯著優(yōu)點。美國動力（Power）公司在世界上率先研制成功的三端隔離式脈寬調(diào)制單片開關(guān)電源集成電路，被譽為“頂級開關(guān)電源”。其第一代產(chǎn)品以1994年推出的TOP100／200系列為代表，第二代產(chǎn)品則是1997年問世的TOPSwitch－Ⅱ。上述產(chǎn)品一經(jīng)問世便顯示出強大的生命力，它極大地簡化了150W以下開關(guān)電源的設(shè)計和新產(chǎn)品的開發(fā)工作，也為新型、高效、低成本開關(guān)電源的推廣與普及創(chuàng)造了良好條件，可廣泛用于儀器儀表、筆記本電腦、移動電話、電視機、VCD和DVD、攝錄像機、手機電池充電器、功率放大器等領(lǐng)域，并能構(gòu)成各種小型化、高密度、在價格上能與線性穩(wěn)壓電源相競爭的AC／DC電源變換模塊。

1 產(chǎn)品分類及性能特點

1.1產(chǎn)品分類

TOPSwitch包括TOP100系列（TOP100Y～TOP104Y），TOP200系列（TOP200Y～TOP202Y，TOP214Y），TOP209／210系列，TOPSwitch－Ⅱ系列（TOP221～TOP227）。TOPSwitch－Ⅱ與第一代產(chǎn)品相比，它不僅在性能上進(jìn)一步改進(jìn)，而且輸出功率得到顯著提高，現(xiàn)已成為國際上開發(fā)中、小功率開關(guān)電源及電源模塊的優(yōu)選集成電路，其產(chǎn)品分類見表1。

1.2性能特點

⑴將脈寬調(diào)制（PWM）控制系統(tǒng)的全部功能集成到三端芯片中。內(nèi)含脈寬調(diào)制器、功率開關(guān)場效應(yīng)管（MOSFET）、自動偏置電路、保護(hù)電路、高壓啟動電路和環(huán)路補償電路，通過高頻變壓器使輸出端與電網(wǎng)完全隔離，真正實現(xiàn)了無工頻變壓器、隔離式開關(guān)電源的單片集成化，使用安全可靠。

⑵輸入交流電壓和頻率的范圍極寬。作固定電壓輸入時可選110V／115V／230V交流電，允許變化±15％；在寬電壓范圍輸入時，適配85V～265V交流電，但POM值要比前者降低40％。

⑶TOPSwitch－Ⅱ只有3個引出端，可以同三端線性集成穩(wěn)壓器相媲美，能以最簡方式構(gòu)成無工頻變壓器的反激式普通型或精密型開關(guān)電源。開關(guān)頻率的典型值為100kHz，允許范圍是90kHz～110kHz，占空比調(diào)節(jié)范圍是1.7％～67％。

⑷外圍電路簡單，成本低廉。芯片本身功耗很低，電源效率可達(dá)80％左右。

2 TOPSwitch的工作原理

TOPSwitch的管腳排列如圖1所示。它有三種封裝形式。其中，TO－220封裝有3個引腳。

DIP－8封裝及SMD－8封裝各有8個引腳，但均可簡化成3個。這3個管腳分別為控制端C，源極S，漏極D。控制端有4個作用：

利用控制電流IC的大小來調(diào)節(jié)占空比D；

為芯片提供正常工作所需的偏流；

 決定自動重啟動的頻率；

 對控制回路進(jìn)行補償。

TOPSwitch－Ⅱ的內(nèi)部框圖如圖2所示。主要包括10部分：

　 控制電壓源（由控制電壓UC向并聯(lián)調(diào)整器和門驅(qū)動級提供偏壓，而控制端電流IC則能調(diào)節(jié)占空比）；

　 帶隙基準(zhǔn)電壓源（給內(nèi)部提供各種基準(zhǔn)電壓）；

　 振蕩器（產(chǎn)生鋸齒波（SAW）、最大占空比信號（Dmax）和時鐘信號（CLOCK））；

　 并聯(lián)調(diào)整器／誤差放大器；

　 脈寬調(diào)制器（通過改變控制端電流IC的大小，連續(xù)調(diào)節(jié)脈沖占空比，實現(xiàn)脈寬調(diào)制并能濾掉開關(guān)噪聲電壓）；

　 門驅(qū)動級和輸出級（內(nèi)含耐壓為700V的功率開關(guān)管MOSFET）；

　 過流保護(hù)電路（利用MOSFET的漏－源通態(tài)電阻RDS（ON）來檢測過電流，當(dāng)ID過大時令MOSFET關(guān)斷，起到過流保護(hù)作用）；

　 過熱保護(hù)及上電復(fù)位電路（當(dāng)芯片結(jié)溫Tj>135℃，關(guān)斷輸出級）；

　 關(guān)斷／自動重啟動電路（當(dāng)調(diào)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，就自動重新啟動電源恢復(fù)正常工作）；

　 高壓電流源（提供偏流用）。

　 TOPSwitch－Ⅱ的工作原理是利用反饋電流IC來調(diào)節(jié)占空比D，達(dá)到穩(wěn)壓目的。舉例說明，當(dāng)輸出電壓UO↑時，經(jīng)過光耦反饋電路使得IC↑→D↓→UO↓最終使UO不變。

3 單片開關(guān)電源的典型應(yīng)用

3.1由TOP202Y構(gòu)成的7.5V，15W開關(guān)電源

7.5V，15W開關(guān)電源電路如圖3所示。其交流輸入電壓范圍Ui=85V～265VAC，輸入電網(wǎng)頻率f=47Hz～440Hz，電壓調(diào)整率SV=±0.5％，負(fù)載調(diào)整率SI=±1％，電源效率達(dá)80％，輸出紋波電壓的最大值為±50mV。該電源采用帶穩(wěn)壓管（VDZ2）的光耦反饋工作方式。電路中共使用兩片集成電路，IC1為TOP202Y型單片開關(guān)電源，IC2是日本產(chǎn)NEC2501－H型線性光耦合器。FU為3A/250V保險管。C6與L2構(gòu)成交流輸入端的電磁干擾（EMI）濾波器。C6能濾除由初級脈動電流產(chǎn)生的串模干擾，L2可抑制初級繞組中產(chǎn)生的共模干擾。C7和C8為安全電容，能濾除由初、次級繞組之間耦合電容所產(chǎn)生的共模干擾。寬范圍電壓輸入時，85V～265V交流電經(jīng)過整流器BR、C1整流濾波后，獲得直流輸入電壓Ui。由VDZ1和VD1構(gòu)成的漏極鉗位保護(hù)電路可將由高頻變壓器漏感產(chǎn)生的尖峰電壓鉗位到安全值以下，并能減小振鈴電壓。VDZ1選用P6KE150型瞬態(tài)電壓抑制器（TVS），其鉗位電壓為150V，鉗位時間僅1ns，峰值功率是5W。VD1需采用UF4005型1A/600V的超快恢復(fù)二極管（FRD），其反向恢復(fù)時間trr=30ns。

次級電壓經(jīng)VD2，C2，L1，C3整流濾波后產(chǎn)生＋7.5V的輸出電壓。R2和VDZ2與輸出端并聯(lián)，構(gòu)成開關(guān)電源的假負(fù)載，可提高空載或輕載時的負(fù)載調(diào)整率，反饋繞組電壓經(jīng)過VD3整流、C4濾波后，得到反饋電壓，再經(jīng)過光敏三極管給TOP202Y提供一個偏置電壓。VD2選擇UGB8BT型超快恢復(fù)二極管，為降低功耗，還可選肖特基二極管。光耦合器IC2和穩(wěn)壓管VDZ2還構(gòu)成了TOP202Y的外部誤差放大器，能提高穩(wěn)壓性能。當(dāng)輸出電壓UO發(fā)生變化時，由于VDZ2具有穩(wěn)壓作用，就使光耦中LED的工作電流IF發(fā)生變化，進(jìn)而改變TOP202Y的控制端電流IC，再通過調(diào)節(jié)輸出占空比，使UO保持穩(wěn)定，這就是其穩(wěn)壓原理。R1為LED的限流電阻，并能決定控制環(huán)路的增益。C5是控制端旁路電容，除對環(huán)路進(jìn)行補償之外，還決定著自動重啟動頻率。高頻變壓器選用EE22型鐵氧體磁芯，圖3中的NP，NS和NB分別代表初級、次級、反饋繞組的匝數(shù)。初級電感量LP=620μH±10％，漏感量LP0≤11μH。

3.2由TOP224Y構(gòu)成的15V，30W精密開關(guān)電源

其電路如圖4所示。與圖3相比，它在電路上主要作了兩處重要改進(jìn)：第一，為獲得30W的連續(xù)輸出功率，將TOP202Y換成TOP224Y，后者在寬范圍電壓輸入時的最大輸出功率可達(dá)到45W。第二，給TOP224Y配置了外部誤差放大器—TL431型可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器，內(nèi)部包含2.50V基準(zhǔn)電壓源、誤差放大器和開關(guān)式晶體管驅(qū)動器，能直接檢測輸出電壓的變化量，并進(jìn)行精確的調(diào)整。輸出電壓UO經(jīng)R4，R5分壓后得到取樣電壓，與TL431內(nèi)部2.50V基準(zhǔn)電壓源進(jìn)行比較之后，輸出誤差電流信號，再通過NEC2501型光耦合器流入TOP224Y的控制端，直接控制輸出占空比，獲得穩(wěn)定電壓輸出。改變電阻R4與R5的分壓比，可以調(diào)整輸出電壓的標(biāo)稱值?？刂骗h(huán)路的頻率響應(yīng)由R3，C5的大小所決定。R3的阻值范圍是6.2Ω～15Ω。

該電源的峰值輸出功率為60W。電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率均為±0.2％，幾乎可同線性穩(wěn)壓電源相媲美，而其電源效率可達(dá)84％，比線性穩(wěn)壓電源提高近一倍。