利用TOPSwitch設(shè)計(jì)的開關(guān)電源剖析

1、利用TOP Switch設(shè)計(jì)的開關(guān)電源TOP Switch （Three Terminal Off line PWM Switch ）是 PI P Power Integration ）公司 最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，其第一代產(chǎn)品以1994年問世的TOP100/200系列為代表，第二代則是1997年推出的TOP-n （221-227）系列，而新推出的TOP-GX系列（24X）,除了功率繼續(xù)有所增大之外，更是在前兩代產(chǎn)品的基礎(chǔ)上增加了不少功能，故可以看作第三代產(chǎn)品。本文以其第一、二代產(chǎn)品為例，介紹其特點(diǎn)、原理及應(yīng) 用。2 TOP Switch集成芯片介紹2.1 特點(diǎn)與

2、優(yōu)點(diǎn)TOP Switch將MOSFETf整套PWMS制系統(tǒng)集成在一個單片集成器件內(nèi)，內(nèi)部包含了 MOSFETPWMt生器、驅(qū)動電路、自動偏置電路、保護(hù)電路、高壓啟動電路和環(huán)路補(bǔ)償電路 等。由于它已經(jīng)將電路各個功能部分都集成在片子內(nèi)部，所以與常規(guī)的分立元件組成的電路相 比，它有著以下明顯優(yōu)勢。1）電路結(jié)構(gòu)簡單，效率高。它只有三個輸出控制端，利用簡單的外圍器件就可以完成一個開關(guān)電源的控制功能，使電路結(jié)構(gòu)得以簡化，體積減小，提高可靠性。并且把驅(qū)動和開關(guān)器件集成在一個片子內(nèi)部，有利于提高效率和功率密度。2）TOP Switch內(nèi)部有一個高壓小容量的Nl- MOSFE輸出管，該管具有導(dǎo)通電阻小、導(dǎo)通速度

3、可以控制等特點(diǎn)，因而可以減小開關(guān)電壓變化率，進(jìn)而減小EMI。3）片子內(nèi)部集成了脈沖前沿中斷檢測電路、輸入欠壓封鎖電路、 輸出過壓保護(hù)電路、 關(guān)機(jī)自動恢復(fù)工作電路等保護(hù)電路，可以避免因各種故障引起的不良后果。2.2 外部封裝和引腳功能前兩代產(chǎn)品都采用圖 1所示的TO- 220或DIP/SMA 8的封裝形式。其中，后者可以根據(jù)引腳功能而簡接成同 TO- 220封裝一樣的3個引腳的形式，即只有 D （漏極）、S （源極）和C （控制極）TO-220(b)DiP/5MD-J明1TCFSwikh的翻裝用式簡接成同TJ 220封裝一樣的3個引腳的形式，即只有 D （漏極）、S （源極）和C （控制極）三個

4、功能引腳。其中，13腳的S內(nèi)部相連，作為信號地，接旁路電容的負(fù)極。68腳的S在片子內(nèi)部也是相連的，是高壓返回端（ HV RTN,即功率地。在布置電路時，應(yīng)該將他 們安排在地線區(qū)域的不通位置上，這樣可以避免主電路的大電流流過功率地線時對控制端產(chǎn) 生影響。漏極引腳（Drain ）:該引腳是輸出 MOSFET勺漏極連接端。漏源擊穿。開關(guān)電源開始工作時，它通過內(nèi)部開關(guān)型高壓電流源提供偏置電流。該引腳也是TOPSwitch內(nèi)部電流檢測點(diǎn)，使用中，接功率變壓器原邊繞組的一端，繞組的另一端接主電路整流器輸 出的正極?？刂埔_（Control ）:反饋電流和誤差放大器的輸入信號從該引腳輸入，從而可以實(shí)現(xiàn)占空比

5、調(diào)節(jié)?？刂齐娏?Ic的大小與占空比 D成反比。當(dāng)Ic從6.0mA減小到2.0mA時，D就從1.7 %增至67%,比例數(shù)即為脈寬調(diào)制增益：1 7% - 67 %在正常使用中，C接到輸出反饋。控制電壓 Vc的典型值為5.7V,極限值Vcm= 7.0V,控制端最大允許電流 Icm= 100mA源極引腳（Source）:輸出MOSFE的源極連接端。開關(guān)電源一次主電路的公共接地點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)。使用中，接主電路整流電源的負(fù)極。2.3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)垠息”打日種巾魅比x卜圖2 TOP Switch內(nèi)部圖框TOP Switch的內(nèi)部框圖如圖2所示，它主要包括 10個部分：控制電壓源（Vc）控制電壓 Vc可以向并聯(lián)調(diào)整器

6、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。電路剛上電啟動時，高壓電流源通過開關(guān)S提供控制端電流Ic,以便給控制電路供電，并對Cr充電。當(dāng)Vc首次充電達(dá)到5.7V時，S關(guān)斷，高壓直流源被斷開，PWMt生器和功率MOSFETF始工作。此后，Ic由反饋電路供電。帶隙基準(zhǔn)電壓源給內(nèi)部提供各種基準(zhǔn)電壓，同時還可產(chǎn)生一個具有溫度補(bǔ)償并可調(diào)整的電流源，來精確設(shè)定振蕩器的頻率和門驅(qū)動電流。振蕩器 ( Oscillator ) 產(chǎn)生鋸齒波( SAW) 、 最大占空比信號( Dmax) 和時鐘信( CLOCK) 。振蕩頻率內(nèi)部已設(shè)定為100kHz,這有利于減小 EMI和提高電源效率。并聯(lián)調(diào)整器/ 誤差放

7、大器(Shunt Regulator/Error Amplifier) 并聯(lián)調(diào)整器的作用是當(dāng)加到C端的反饋電流超過所需要的電流值時，就通過并聯(lián)調(diào)整器就行分流，以確保Vc=5.7V (典型值)。誤差放大器將反饋電壓與5.7V的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，控制輸出誤差電流Ifb ,當(dāng)Ifb流過電阻Re之后，形成一個誤差電壓送到PW硼制器，從而調(diào)節(jié)PWMt號的占空比。脈寬調(diào)制器(PWM Comparator) 通過改變控制端電流IC 的大小，可連續(xù)調(diào)節(jié)脈沖占空比，實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制。同時，它正輸入端的R、C組成截止頻率為 7kHz低通濾波器能慮掉開關(guān)噪聲電壓。門極驅(qū)動級和輸出級(Control Turn-on Ga

8、te Driver)用于驅(qū)動 N溝道MOSFET使其按照內(nèi)部設(shè)定的開關(guān)頻率工作。過流保護(hù)電路一一利用MOSFET勺漏源通態(tài)電阻 Rds.on來檢測過流信號。片子內(nèi)部將Rds.on 上產(chǎn)生的壓降Vds.on 與一個參考電壓Vlimit 作比較。 當(dāng) Id 過大時， Vds.on 也隨之上升。如果Vds.on>Vlimit ,過流比較器將會翻轉(zhuǎn)，進(jìn)而發(fā)出信號使MOSFETS,起到過流保護(hù)作用。片子在設(shè)計(jì)時，還對 Vlimit 進(jìn)行了溫度補(bǔ)償，以消除因Rds.on 隨溫度變化而引起的Vds.on 的波動。過熱保護(hù)及上電復(fù)位電路(Thermal Shutdown & Power-up R

9、eset) 過當(dāng)片子的結(jié)溫達(dá)到 135時，過熱保護(hù)電路就輸出高電平，將RS觸發(fā)器的Q端置“1”，進(jìn)而關(guān)斷輸出級。關(guān)斷 /自動重啟電路(Shutdown/Auto-restart) 過當(dāng)調(diào)節(jié)失效時， 立即使片子在5的低占空比下工作，同時切斷從外部流入控制端的電流Ic 。如果故障已經(jīng)排除，就自動重啟動，回復(fù)到正常工作狀態(tài)。自動重啟的頻率為1.2Hz (當(dāng)Cr為47uF時)。高壓直流源過過在啟動或是滯后調(diào)節(jié)模式下， 該電流源通過電子開關(guān)S 給內(nèi)部電路提供偏置電流，并且對 Cr進(jìn)行充電以啟動電路。電源正常工作時開關(guān)S改接內(nèi)部電源，高壓直流源被旁路掉。3利用TOP Switch組成的開關(guān)電源如前所述，由

10、于 TOP Switch已經(jīng)將很多功能集成在片子內(nèi)部，所以很容易利用它組成各種小功率的功率變換電路，如 Flyback, Forward, Boost, Buck等等。下面以圖 3所示的 7.5V、15W開關(guān)穩(wěn)壓電源為例來說明TOP Switch在開關(guān)電源中的典型應(yīng)用。 i 7. JVJJiW 前庭情年該電源的交流輸入電壓范圍為85265Vac,經(jīng)EMI濾波、整流、C2濾波之后，得到直流電壓。變壓器一、二次繞組的變比可以設(shè)定輸出電壓大小。電路剛上電時，TOP內(nèi)部高壓電流源直接提供控制極電流Ic,使得片子啟動，電路開始工作。電路正常工作后，Ic將由反饋網(wǎng)絡(luò)提供，同時通過調(diào)節(jié)內(nèi)部 PWM 勺占空比

11、實(shí)現(xiàn)對輸出電壓的自動調(diào)節(jié)。反饋網(wǎng)絡(luò)由偏置繞組 Ns、VD3 (IN4148)、電容 C4> R1、光耦 IC2 (NEC2501-H 和穩(wěn)壓管 VD22 ( N5995B) 組成。Ns端電壓經(jīng)過 VD3整流和C4濾波后，得到一個偏置電壓。穩(wěn)壓管VD22 (N5995B)、電阻R1和光耦I(lǐng)C2 (NEC2501-H則可通過控制光耦初級發(fā)光管的電流If實(shí)現(xiàn)對輸出電壓的調(diào)整。其中R1是VD22的限流電阻，同時又可以決定控制環(huán)路的增益。根據(jù)光耦特性，可 以把光耦看作一個電流控制電流源(CCC$,次級電流Ic受初級電流If控制，且在一定的范圍內(nèi)，兩者是成正比的，即。所以，如果輸出電壓有波動，必然會

12、引起 If的同方向變化，于是引起Ic的變化使得PWM占空比往反方向變動，從而將輸出電壓穩(wěn)定下來。比如，若是輸出電壓偏低了，經(jīng)過穩(wěn)壓管的作用，反饋網(wǎng)絡(luò)的原邊電流If必將降低，因而Ic也會降低。由于 PWM&空比是跟Ic反方向變化的，所以占空比就會增加，從而使得輸出電壓升高，保持了輸出電壓的穩(wěn)定。電路中除整流橋之外，所使用的二極管都是快恢復(fù)的，反向恢復(fù)£ 300w,以適應(yīng)100KHz的開關(guān)頻率。C5 (47uF)是控制端旁路電容，可以對控制環(huán)路進(jìn)行補(bǔ)償， 同時還決定著自動重啟動的頻率。并在變壓器原邊的VDZ1 (P6KE150)是順態(tài)電壓抑制器( TVS) ， 其嵌位電壓為150

13、V， 嵌位時間為1ns， 功耗不超過5W。 它與反串的二極管VD( 1 UF4005)一起組成漏極嵌位電路，一方面可以將高頻變壓器漏感產(chǎn)生的瞬時電壓嵌位在安全電壓以下，同時可以作為變壓器消磁回路，防止飽和。輸出端接R2 作為電源的假負(fù)載，可以在電路輕載或空載時依然保證良好的輸出電壓和調(diào)整特性，避免電壓漂移。輸出LC 濾波器可以顯著地減少開關(guān)頻率的輸出紋波和高頻噪聲，但是也可能會因?yàn)長、C的附加相移使電路不穩(wěn)定。 因此本電路中反饋網(wǎng)絡(luò)的光藕連接到L1 與整流器間，以避免附加相移引起不良后果。4 應(yīng)用中需要注意的問題1)布線時，S 引腳的引線應(yīng)該非常短，旁路電容應(yīng)盡可能靠近S 和 C 引腳，同時，S腳應(yīng)單點(diǎn)接地，以避免主電路的工作電流對控制信號造成干擾。2)在某些條件下，從外部給控制引腳加入電壓或電流，能夠使TOPSwitch 永遠(yuǎn)保持在8 個自動回復(fù)周期中的某一個周期內(nèi)，并且能夠防止開關(guān)電源自動重啟動。3)在自動恢復(fù)工作過程中，當(dāng)輸入電壓低于20V時，控制引腳電流很小，這樣會增加自動恢復(fù)循環(huán)的周期。所以，應(yīng)避免輸入電壓過低。4)交流輸入電源短時中斷后，開關(guān)電源再次工作前，片子進(jìn)入自動恢復(fù)過程。這是因?yàn)殡娙萜髦写鎯Φ哪芰繘]有立即釋放完，并且當(dāng)控制引腳電壓低于內(nèi)部上