基于TOPSwitch的開關電源設計說明

1、 7 / 7基于TOPSwitch 的開關電源設計 1 引言功率開關管、PWM控制器和高頻變壓器是開關電源必不可少的組成部分。傳統(tǒng)的開關電源一般均采用分立的高頻功率開關管和多引腳的PWM集成控制器，例如采用UC3842MOSFET是國小功率開關電源中較為普與的設計方法。 90年代以來，出現(xiàn)了PWM/MOSFET二合一集成芯片，他大大降低了開關電源設計的復雜性，減少了開關電源設計所需的時間，從而加快了產(chǎn)品進入市場的速度。 二合一集成控制芯片多采用3腳，4腳，5腳，7腳和8腳封裝，其中美國功率集成公司于97年推出的三端脫線式TOPSwitch 系列二合一集成控制器件，是該類器件的代表性產(chǎn)品。2 T

2、OPSwitch 器件簡介 TOPSwitch系列器件是三端脫線式PWM開關（Threeterminal Offline PWM Swtich）的英文縮寫。TOPSwitch系列器件僅用了3個管腳就將脫線式開關電源所必需的具有通態(tài)可控柵極驅動電路的高壓N溝道功率的MOS場效應管，電壓型PWM控制器，100kHz高頻振蕩器，高壓啟動偏置電路，帶隙基準，用于環(huán)路補償?shù)牟⒙?lián)偏置調整器以與誤差放大器和故障保護等功能全部組合在一起了。 TOPSwitch 系列器件是TOPSwitch的升級產(chǎn)品，同后者相比，部電路做了許多改進，器件對于電路板布局以與輸入總線瞬變的敏感性大大減少，故設計更為方便，性能有所增

3、強。其型號包括TOP221TOP227，部結構如圖1所示1。 TOPSwitch 是一個自偏置、自保護的電流占空比線性控制轉換器。由于采用CMOS工藝，轉換效率與采用雙集成電路和分立元件相比，偏置電流大大減少，并省去了用于電流傳導和提供啟動偏置電流的外接電阻。 漏極 連接部MOSFET的漏極，在啟動時，通過部高壓開關電流源提供部偏置電流。源極 連接部MOSFET的源極，是初級電路的公共點和基準點。 控制極 誤差放大電路和反饋電流的輸入端。在正常工作時，由部并聯(lián)調整器提供部偏流。系統(tǒng)關閉時，可激發(fā)輸入電流，同時也是提供旁路、自動重啟和補償功能的電容連接點。 控制電壓 控制極的電壓Vc給控制器和驅

4、動器供電或提供偏壓。接在控制極和源極之間的外部旁路電容CT，為柵極提供驅動電流，并設置自動恢復時間與控制環(huán)路的補償。在正常工作（輸出電壓穩(wěn)定）時，反饋控制電流給Vc供電，并聯(lián)穩(wěn)壓器使Vc保持在4.7V。在啟動時，控制極的電流由部接在漏極和控制極之間的高壓開關電流源提供?？刂茦O電容CT放電至閾值電壓以下時，輸出MOSFET截止，控制電路處于備用方式。此時高壓電流源接通，并再次給電容CT充電。通過高壓電流源的接通和斷開，使Vc保持在4.75.7V之間。 帶隙基準 TOPSwitch 部電壓取自具有溫度補償?shù)膸痘鶞孰妷骸４嘶鶞孰妷阂材墚a(chǎn)生可微調的溫度補償電流源，用來精確地調節(jié)振蕩器的頻率和MOSF

5、ET柵極驅動電流。 振蕩器 部振蕩器通過部電容線性地充電放電，產(chǎn)生脈寬調制器所需的的鋸齒波電壓。為了降低EMI并提高電源的效率，振蕩器額定頻率為100kHz。 脈寬調制器 流入控制極的電流在RE兩端產(chǎn)生的壓降，經(jīng)RC電路濾波后，加到PWM比較器的同相輸入端，與振蕩器輸出的鋸齒波電壓比較，產(chǎn)生脈寬調制信號，該信號驅動輸出MOSFET實現(xiàn)電壓型控制。正常工作時，部MOSFET輸出脈沖的占空比隨著控制極電流的增加而線性減少，如圖2所示1。 柵極驅動器 柵極驅動器以一定速率使輸出MOSFET導通。為了提高精確度，柵極驅動電流還可以進行微調逐周限流。逐周限流電路用輸出MOSFET的導通電阻作為取樣電阻，

6、限流比較器將MOSFET導通時的漏源電壓與閾值電壓VILIMIT進行比較。漏極電流過大時，漏源電壓超過閾值電壓，輸出MOSFET關斷，直到下一個周期，輸出MOSFET才能導通。 誤差放大器 誤差放大器的電壓基準取自溫度補償帶隙基準電壓；誤差放大器的增益則由控制極的動態(tài)阻抗設定。 系統(tǒng)關閉/自動重動 為了減少功耗，當超過調整狀態(tài)時，該電路將以5的占空比接通和關斷電源。 過熱保護 當結溫超過熱關斷溫度（135）時，模擬電路將關斷輸出MOSFET。 高壓偏流源 在啟動期間，該電流源從漏極偏置TOPSwitch ，并對控制極外界電容CT充電。 在TOPSwitch 系列中，TOP225TOP227采用

7、TO220封裝形式，而TOP221TOP224則有TO220和DIP8，SMD8三種封裝形式，如圖3所示1?？紤]到DIP8和SMD8的散熱情況，采用這2種封裝形式的器件輸出功能要適當降低。 3 TOPSwitch 應用于反激式功率變換電路 在開關電源電路中，基本類型有5種：單端反激式、單端正激式、推挽式、半橋式和全橋式。對于100W以下的開關電源，多采用單端反激式變換器，反激式功率變換電路中的變壓器，除了起隔離作用之外，還具有儲能的功能。反激式功率變換電路結果比較簡單，輸出電壓不受輸入電壓的限制，亦可提供多路電壓輸出。TOPSwitch 系列應用于單端反激式變換器，典型用法如圖4所示2。 在圖

8、4中，（a）將偏置線圈通過限流電阻直接作為TOPSwitch 控制極的輸入；（b）在（a）的基礎上增加了穩(wěn)壓管，是（a）的增強型；（c）中輸出電壓通過光耦作用于TOPSwitch 控制極，在輸出電壓反饋精度上有所提高；（d）在（c）基礎上增加了精密基準TL431，使得輸出穩(wěn)壓精度和負載調整率都能獲得較高的精度。4種變換電路的效果如表1所示。 4 應用實例 圖5為輸入電壓為85265V，輸出為15V的反激式開關電源實際電路。其采用圖4中（d）的反饋電路形式。 交流電壓經(jīng)整流橋V2整流和C2濾波后，產(chǎn)生的高壓直流電壓加至變壓器一端，變壓器另一端與TOP224的漏極相連。R9，C8和V3為緩沖吸收電

9、路，用以吸收TOP224在關斷過程中由于變壓器漏感引起的電壓尖峰過沖。 偏置線圈經(jīng)V7和C2整流濾波后產(chǎn)生TOP224所需的偏置電壓；C6能夠濾除TOP224部MOSFET柵極充電電流的峰值，確定重新啟動的頻率，并與R1，R2一起補償控制回路。 TLP431并聯(lián)穩(wěn)壓器部包含2.5V帶隙基準電壓、運算放大器和驅動器，作次級基準誤差放大器用。調節(jié)RP1可對輸出電壓實現(xiàn)微調。當輸出電壓受某種原因發(fā)生波動時，通過TL431等器件組成的反饋電路，改變流過光耦PC817的發(fā)光二極管的電流，從而改變流入TOP224控制極的電流，調整TOP224部MOSFET的輸出占空比，使輸出電壓重新穩(wěn)壓。 5 結語 采用TOPSwitch 器件的開關電源與采用分立的MOSFET功率開關與PWM集成控制器的開關電源相比，具有以下特點： （1）成本低廉 TOPSwitch 采用CMOS工藝制作，并在芯片中集成了盡可能多的功能，故與傳統(tǒng)的功率開關電路相比，偏置電流顯著降低；開關電源所需的功能集成于芯片中后，外部的電流傳感電阻和初始啟動偏壓電流的電路均可除去，可大量減少元器件，使產(chǎn)品的成本和體積均大大減少； （2）電源設計簡