單片開關(guān)電源及其應(yīng)用

單片開關(guān)電源及其應(yīng)用TOPSwitch-I、TOPSwitch-II系列單片電源一．TOPSwitch-I、TOPSwitch-II系列單片電源器件單片開關(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(diǎn)。美國動(dòng)力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(yù)為“頂級開關(guān)電源”。

TOPSwitch-I系列是美國動(dòng)力公司1994年推出的第一代產(chǎn)品。包括：TOP100-TOP104、TOP200-TOP204/TOP214、TOP209/TOP210。TOPSwitch-II則是在1997年推出的第二代產(chǎn)品。第二代產(chǎn)品在電路性能，特別是輸出功率上獲得大幅度的提高。這兩個(gè)系列的封裝是一致的，實(shí)際上它是一個(gè)三端器件。三個(gè)腳分別是D、S、C，即漏極、源極、控制極。封裝形式有TO-220的三端器件式和DIP-8、SMD-8的八腳雙列式兩種基本形式。如圖1。八腳封裝的1-3、6-8通常并聯(lián)后作為S，所以也相當(dāng)于三端器件。這三個(gè)腳的含義是：（a）TO－220封裝（b）DIP－8封裝和SMD－8封裝圖1：TOPSwitch的封裝源極S：連接內(nèi)部MOSFET的源極，同時(shí)也是TOP開關(guān)及開關(guān)電源初級電路的公共接地點(diǎn)及基準(zhǔn)點(diǎn)。漏極D：是內(nèi)部MOSFET的漏極，也是內(nèi)部電流的檢測點(diǎn)。該點(diǎn)內(nèi)部有一電流源提供芯片偏置電流。控制極C：誤差放大電路和反饋電流輸入端。其作用是：1）提供自動(dòng)重啟電容連接點(diǎn)并決定重啟頻率。2）通過調(diào)節(jié)其輸入電流，可以調(diào)整占空比。3）為芯片提供正常工作的偏置電流。4）提供旁路和補(bǔ)償功能的電容連接點(diǎn)。

下面的介紹中，我們以TOPSwitch-II為主。二．TOPSwitch-II產(chǎn)品的分類及特點(diǎn)（一）、產(chǎn)品分類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。表1：TOPSwitch－Ⅱ的產(chǎn)品分類及最大輸出功率POM（單位：W）TO－220封裝（Y）DIP－8封裝（P）/SMD－8封裝（G）產(chǎn)品型號固定輸入（110/115/230V,AC,±15％）寬范圍輸入（85V～265V,AC）產(chǎn)品型號固定輸入（110/115/230V,AC,±15％）寬范圍輸入（85V～265V,AC）TOP221Y127TOP221P/221G96TOP222Y2515TOP222P/222G1510TOP223Y5030TOP223P/223G2515TOP224Y7545TOP224P/224G3020TOP225Y10060TOP226Y12575TOP227Y15090（二）、性能特點(diǎn)1．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(dòng)偏置電路、保護(hù)電路、高壓啟動(dòng)電路和環(huán)路補(bǔ)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(shí)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。2．輸入交流電壓和頻率的范圍極寬。作固定電壓輸入時(shí)可選110V／115V／230V交流電，允許變化±15％；在寬電壓范圍輸入時(shí)，適配85V～265V交流電，但POM值要比前者降低40％。3．典型頻率100KHz，允許值90-110KHz，占空比調(diào)節(jié)范圍：1.7-67%。4．TOPSwitch－Ⅱ只有3個(gè)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％。5．外圍電路簡單，成本低廉。芯片本身功耗很低，溫度范圍0-70攝氏度，最高結(jié)溫135攝氏度。電源效率可達(dá)80％左右,比線性集成穩(wěn)壓電源提高了近一倍。三．TOPSwitch-II的工作原理TOPSwitch－Ⅱ的內(nèi)部框圖如圖4-23所示。主要包括10部分：1．控制電壓源由控制電壓UC向并聯(lián)調(diào)整器和門驅(qū)動(dòng)級提供偏壓，而控制端電流IC則能調(diào)節(jié)占空比。圖2：TOPSwitch-II內(nèi)部原理框圖2．帶隙基準(zhǔn)電壓源給內(nèi)部提供各種基準(zhǔn)電壓。3．振蕩器產(chǎn)生鋸齒波（SAW）、最大占空比信號（Dmax）和時(shí)鐘信號（CLOCK））。4．并聯(lián)調(diào)整器／誤差放大器5．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(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制并能濾掉開關(guān)噪聲電壓。6．門驅(qū)動(dòng)級和輸出級內(nèi)含耐壓為700V的功率開關(guān)管MOSFET。7．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(shí)令MOSFET關(guān)斷，起到過流保護(hù)作用。8．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。9．關(guān)斷／自動(dòng)重啟動(dòng)電路當(dāng)調(diào)節(jié)失控時(shí)，立即使芯片在低占空比下工作。倘若故障已排除，就自動(dòng)重新啟動(dòng)電源恢復(fù)正常工作。10．高壓電流源提供偏流用。事實(shí)上，TOPSwitch-I也包括這樣的十個(gè)部分。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。如：當(dāng)輸出電壓UO↑時(shí)，經(jīng)過光耦反饋電路使得IC↑→D↓→UO↓,最終使UO不變。四．TOPSwitch-II單片電源的應(yīng)用下面這個(gè)圖，顯示了單片開關(guān)電源的典型應(yīng)用方法。圖3：15W-TOPSwitch-II單片電源的應(yīng)用該電路交流輸入電壓范圍Ui=85V～265V,AC，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。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(dòng)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(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)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(gè)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(shí)，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(bǔ)償之外，還決定著自動(dòng)重啟動(dòng)頻率。高頻變壓器選用EE22型鐵氧體磁芯，初級電感量LP=620μH±10％，漏感量LP0≤11μH。TOPSwitch-FX系列單片電源一．芯片簡介PowerIntegrations（PI）公司在2000年3月發(fā)布了新的TOPSwitch-FX開關(guān)電源IC系列，它為設(shè)計(jì)高度集成的電源提供了更大的靈活性，采用的EcoSmart節(jié)能技術(shù)可以幫助工程師生產(chǎn)出符合環(huán)保要求的更加“綠色”的電子產(chǎn)品。器件輸出功率最高達(dá)75W，可廣泛應(yīng)用于手機(jī)充電器、PC待機(jī)電源、機(jī)頂盒、DVD和LCD顯示器等不同領(lǐng)域。二．引腳：TOPSwitch-FX在TOPSwitch-II三個(gè)引腳的基礎(chǔ)上增加了二個(gè)引腳，其中一個(gè)是多功能引腳（M），另一個(gè)是頻率引腳（F）。（一）多功能引腳(Multi-Function)：TOPSwitch-FX使多功能可以通過單一的可編程引腳(Multi-Function)來實(shí)現(xiàn)。1．這個(gè)引腳可以利用一個(gè)電阻同時(shí)設(shè)置欠壓、過壓以及前饋的保護(hù)功能。當(dāng)整流后的DC電壓值超過了設(shè)置的過壓閾值時(shí)，將強(qiáng)迫TOPSwitch-FX的功率MOSFET關(guān)斷，增加了對浪涌電壓的防護(hù)能力。欠壓檢測可以防止關(guān)閉電源時(shí)出現(xiàn)瞬變的電壓尖峰。執(zhí)行電壓前饋可以減少輸出電壓紋波。2．這個(gè)引腳還可以允許用幾種方式進(jìn)行TOPSwitch-FX的遠(yuǎn)程ON/OFF控制。3．此外，這個(gè)引腳還可以用來在外部編程設(shè)置精確的電流限值。（二）頻率引腳（FREQUENCY）：只在TO-220封裝下提供，它與控制腳（CONTROL）短接時(shí)，可使正常的開關(guān)頻率130kHz縮小到一半，即65kHz。這對于噪聲敏感的視頻應(yīng)用或高效率待機(jī)工作模式都是有利的。三．器件的新功能TOPSwitch-FX還集成了一些新的功能，其中有：1．新增多功能引腳，保護(hù)功能加強(qiáng)。2．新增頻率引腳，有利于控制噪聲和提高待機(jī)效率。3．軟啟動(dòng)（Soft-Start），可以降低啟動(dòng)時(shí)元器件的峰值電流與電壓負(fù)荷。4．頻率抖動(dòng)（FrequencyJitter），可降低電磁干擾。5．滯后過熱保護(hù)。6．采用多方面的EcoSmart節(jié)能技術(shù)，使能源得到更有效的利用，可實(shí)現(xiàn)環(huán)保設(shè)計(jì)。例如，遙控開/關(guān)、省略周期（CycleSkipping）和頻率減半等功能可以顯著地降低能耗，特別是在待機(jī)和空載的條件下。這種特性使得很多電子產(chǎn)品可以達(dá)到甚至超過如EnergyStar、BlueAngel、Energy2000之類的通用節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)芯片盡管增加了許多新的功能，但僅僅8個(gè)月，即被新版本的TOPSwitch-GX替代。因此，該芯片不做課程重點(diǎn)，我們這里重點(diǎn)介紹TOPSwitch-GX芯片。TOPSwitch-GX系列單片開關(guān)電源以往芯片存在一些不足：紋波電壓較大、空載和輕載損耗大、高溫工作時(shí)輸出功率受限、啟動(dòng)時(shí)元件承受較大的尖峰電壓和電流以及設(shè)計(jì)不夠靈活等。針對這些不足之處，PowerIntegrations公司優(yōu)化了芯片的內(nèi)部布局，改進(jìn)了電路功能，于2000年11月新推出了TOPSwitch家族的第四代芯片:TOPSwitch-GX系列。TOPSwitch-GX系列增加了許多新功能，從而有效地降低了電源系統(tǒng)成本，提高了電源性能，改善了設(shè)計(jì)靈活性并擴(kuò)展了電源輸出功率。如其中的TOP250型芯片，最大輸出功率可達(dá)290W，該芯片極大地?cái)U(kuò)展了開關(guān)電源芯片在大功率領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用范圍。一．TOPSwitch-GX系列的功能特點(diǎn)TOPSwitch-GX系列新增的主要功能及其優(yōu)點(diǎn)如下：1．更寬的輸出功率范圍，最大可達(dá)290W。2．可減少外圍器件的損耗。3．在極低壓或過壓時(shí)能實(shí)現(xiàn)完全軟啟動(dòng)，進(jìn)一步減小了器件在啟動(dòng)時(shí)的電壓、電流應(yīng)力。4．外部可編程精確地設(shè)定限制電流，減小了變壓器鐵芯體積，提高了電源效率。5．更大的占空比，能提供更大的輸出功率并減小了輸入電容。6．在Y、R、F型式封裝中將電壓檢測管腳與限流管腳分開封裝，提高了設(shè)計(jì)的靈活性。7．欠壓保護(hù)，不會(huì)造成誤關(guān)斷。8．有過壓保護(hù)，可以限制浪涌電流。9．采用線電壓前饋,減小了低壓時(shí)的輸出電壓紋波，限制了高壓時(shí)的最大占空比（Dmax）。10．有±3％的頻率抖動(dòng)，減小了電磁干擾（EMI）,并降低了EMI濾波器的損耗。11．空載、輕載時(shí)可降低工作頻率，使輸出電路無需加假負(fù)載，從而顯著地減少了能量損耗。12．高達(dá)132kHz的工作頻率，減小了變壓器和電源的體積。13．在視頻應(yīng)用時(shí)可選擇半頻（66kHz）運(yùn)行（只限于Y、R、F封裝），有利于控制噪聲。14．溫度范圍更寬的滯后熱關(guān)斷，允許電源在高溫下輸出更大的功率，并有效地防止裝置過熱。TOPSwitch-GX系列的這些優(yōu)點(diǎn)使其可廣泛地應(yīng)用于手提電腦、PDA、集線器、交換器、路由器、臺(tái)式電腦、小型服務(wù)器、機(jī)頂盒、數(shù)碼電視、打印機(jī)、DVD、UPS、電視游戲機(jī)、音頻放大器等裝置中。二．器件管腳功能描述（一）管腳排列TOPSwitch-GX系列有TOP242—TOP250的9種不同容量型號，又分為Y、P、G、R、F等5種封裝形式。根據(jù)封裝形式不同，TOPSwitch-GX系列芯片新增的管腳數(shù)也不同。P、G型封裝與第三代芯片TOPSwitch-FX系列一樣只有D、S、C、M四個(gè)管腳，而Y、R、F型封裝則有六個(gè)管腳：D、S、C、F、X、L。圖4為Y/R/F型封裝芯片引腳圖，Y、R、F型封裝的管腳功能如下。圖4：TOPSwitch-GX引腳圖（二）管腳功能說明器件的六個(gè)引腳說明如下：1．漏極管腳（D）：高壓功率MOSFET漏極輸出。通過此腳從高壓開關(guān)電流源輸入內(nèi)部啟動(dòng)偏置電流。2．控制管腳（C）：用于調(diào)節(jié)占空比的誤差放大器電流輸入腳。在正常操作期間通過連接至內(nèi)部分流調(diào)節(jié)器來提供內(nèi)部偏置電流，也可以作為電源的旁路和自動(dòng)重啟/補(bǔ)償電容的連接點(diǎn)。3．源極管腳（S）：內(nèi)部MOSFET的源極。將其連接至輸出MOSFET源極時(shí)可得到高壓功率回饋。4．電壓檢測管腳（L）：作為欠壓保護(hù)（UV）、過壓保護(hù)(OV)、減少Dmax的線性前饋及遠(yuǎn)程開/關(guān)等4項(xiàng)功能的控制腳。1）當(dāng)腳L與腳S短接時(shí)，各項(xiàng)功能均不起作用；2）當(dāng)L腳串聯(lián)電阻接至電源母線時(shí)，可實(shí)現(xiàn)UV、OV及隨母線電壓減少Dmax的3項(xiàng)功能；3）當(dāng)腳L通過電阻與腳C相連，并外接一級開關(guān)信號放大電路時(shí)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制開/關(guān)的作用。5．外部限流管腳（X）：用于外部電流限制值設(shè)置的輸入腳。1）當(dāng)串聯(lián)電阻接至地線時(shí)為外部可編程精確設(shè)定限流值；2）當(dāng)串電阻接至電源母線時(shí)可隨母線電壓調(diào)節(jié)限流值。6．頻率管腳（F）：用于選擇開關(guān)頻率的輸入腳。在多數(shù)應(yīng)用場合下將腳F連接至源極管腳S，此時(shí)開關(guān)頻率為132kHz。在一些特殊應(yīng)用場合如對噪音敏感的音頻設(shè)備中，將腳F連接至控制管腳C時(shí)開關(guān)頻率降為66kHz以減小干擾。三．器件類型及參數(shù)下表是GX系列的器件類型及相關(guān)數(shù)據(jù)。輸出功率表產(chǎn)品固定輸入110/115/230VAC±15%寬范圍輸入85-265VAC密封式敞開式密封式敞開式TOP242P或G

TOP242R

TOP242Y或F9W

21W

10W15W

22W

22W6.5W

11W

7W10W

14W

14WTOP243P或G

TOP243R

TOP243Y或F13W

29W

20W25W

45W

45W9W

17W

15W15W

23W

30WTOP244P或G

TOP244R

TOP244Y或F16W

34W

30W28W

50W

65W11W

20W

20W20W

28W

45WTOP245P或G

TOP245R

TOP245Y或F19W

37W

40W30W

57W

85W13W

23W

26W22W

33W

60WTOP246P或G

TOP246R

TOP246Y或F21W

40W

60W34W

64W

125W15W

26W

40W26W

38W

90WTOP247R

TOP247Y或F45W

85W70W

165W28W

55W43W

125WTOP248R

TOP248Y或F43W

105W75W

205W30W

70W48W

155WTOP249R

TOP249Y或F44W

120W79W

250W31W

80W53W

180WTOP250R

TOP250Y或F45W

135W82W

290W32W

90W55W

210W可以看出，GX系列從6.5W到290W，有比較寬的功率選擇范圍?？傮w分類：按輸入：固定輸入為110/115/230VAC，寬輸入為：85-265VAC。按模塊外形：密封式和敞開式，后者功率相對更高。按封裝形式：有Y、P、G、R、F等5種封裝形式。其它更具體的模塊使用特性及應(yīng)用要領(lǐng)，需要時(shí)我們可以查閱相關(guān)手冊。由于許多新的特性和寬的選擇范圍，這個(gè)系列的器件目前是PI公司推廣的主流開關(guān)電源器件。四．內(nèi)部功能原理：下圖是器件的內(nèi)部原理框圖。圖4-5：TOPSwitch-GX的內(nèi)部原理框圖電路主要包含18部分：1．控制電壓源。2．帶隙基準(zhǔn)電壓源。3．頻率抖動(dòng)振蕩器。4．并聯(lián)調(diào)整器/誤差放大器。5．脈寬調(diào)制器，含PWM比較器和觸發(fā)器。6．過流保護(hù)電路。7．門極驅(qū)動(dòng)和輸出極。8．具有滯后特性的過熱保護(hù)電路。9．高壓電流源。10．軟啟動(dòng)電路。11．關(guān)斷/自動(dòng)重啟電路。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(shè)定端的內(nèi)部電路。16．輕載時(shí)自動(dòng)降低開關(guān)頻率的電路。17．停止邏輯。18．開啟電壓為1V的電壓比較器。五．TOPSwitch-GX的典型應(yīng)用圖6給出了GX模塊的典型應(yīng)用實(shí)例。圖6：TOPSwit