TOPS witch单片开关电源的原理及应用

TOPS witch单片开关电源的原理及应用
陈纬
　　摘要：三端单片开关电源是20世纪90年代才开始流行的新型开关电源芯片， 采用它制作高频开关电源， 不仅简化了电路， 同时可以改善电源的电磁兼容性能， 降低制作成本。阐述了其性能特点及工作原理， 并介绍一种用TOP221Y制作的稳压电源， 具有一定的使用价值。
　　关键词：单片开关电源；脉宽调制；原理；应用
引言
　　单片开关电源具有单片集成化、最简外围电路、最佳性能指标、能构成无工频变压器开关电源等显著优点。TO PSwitch器件是美国功率集成公司(POWER Integrations)于20世纪90年代中期推出的新型高频开关电源芯片。它是三端脱线式PWM开关(Three-terminal Offline PWM Swtich)的英文缩写， 其第一代产品以1994年推出的TOP100/200系列为代表， 第二代产品则是1997年问世的TOPSwitch-Ⅱ。上述产品一经问世便显示出强大的生命力，它极大地简化150W以下开关电源的设计，使电路大为简化，体积进一步缩小，成本也明显降低。
1　TOPSwitch产品分类
　　TOPSwitch包括TOP100系列(TOP100Y～TOP104Y)、TOP200系列(TOP200Y～TOP202Y，TOP214Y)、TO P209/210 系列、TOPSwitch- Ⅱ系列( TOP221～TOP227)。TOPSwitch - Ⅱ是TOP-Sw itch 的改进型号，它将单电压输入时的最大功率100W提高到150W，电磁兼容性也得到增强，具有更高的性能价格比，现已成为国际上开发中、小功率开关电源模块的优选集成电路。TOPSwitch- Ⅱ所包括的几个型号之间的区别在于输出功率的不同，其产品分类见表1。
2　TOPSwitch结构
　　TOPSw itch 有三种封装形式，其中，TOP221Y～TOP227Y采用TO-220封装，有3个引脚； TOP221P/G～TOP224P/G采用DIP-8封装及SMD-8封装，有8个引脚，但8只管脚中有6只管脚实际是连在一起作为S端，故可简化成3只管脚，这样它仍系三端器件。3个引出端分别是漏极端D、源极端S和控制端C。其中，D是内装MOSFET的漏极，也是内部电流的检测点，启动操作时，漏极端由一个内部电流源提供内部偏置电流。控制端C控制输出占空比，是误差放大器和反馈电流的输入端。在正常操作时，内部的旁路调整端提供内部偏置电流，且能在输入异常时自动锁定保护。源极端S是MOSFET的源极，同时是TOP开关及开关电源初级电路的公共接地点及基准点。
表1　TOPSwitch-Ⅱ的产品分类及最大输出功率
3　TOPSwitch 性能特点
3.1　安全性高
　　将脉宽调制(PWM)控制系统的全部功能集成到三端芯片中，内含脉宽调制器、功率开关场效应管(MOSFET )、自动偏置电路、保护电路、高压启动电路和环路补偿电路，通过高频变压器使输出端与电网完全隔离，真正实现了无工频变压器、隔离式开关电源的单片集成化，使用安全可靠。
3.2　系统效率高
　　TOPSwitch 系采用CMOS工艺制作，并在芯片中集成了尽可能多的功能，故与采用二极管或分立的功率开关电路相比，偏置电流显著降低。开关电源所需的功能集成于芯片中后， 外部的电流传感电阻和初始启动偏压电流的电路均可除去，系统效率大大提高。特别是TOPSwitch 器件专门针对反激式功率变换电路进行了优化，使占空比最大值可达70%， TOP100Y～TOP104Y 和TOP200Y～TOP202Y/TOP214Y 的效率可达90%，TOP209/TOP210的效率也可超过80%。
3.3　设计简化
　　TOPSwitch 器件在3脚的TO -220封装中集成了PWM控制器和高压MOSFET功率开关，只需外接一个电容就能实现补偿、旁路、启动和自动重启功能。另外，美国功率集成公司还为TOPSwitch器件提供了许多标准设计的电路板，使应用TOPSwitch的设计更为方便，极大地缩短了产品开发至进入市场所需的时间。
3.4　应用灵活性高
　　TOPSwitch器件支持降压型、升压型、正激式和反激式功率变换电路，并且很容易和光耦及变压器初级的反馈电路结合，无论在连续传导模式和不连续传导模式下均可工作；输入交流电压和频率的范围极宽，作固定电压输入时可选110V/115V/230V交流电，允许变化±15%; 在宽电压范围输入时，适配85V～265V交流电，但最大输出功率比前者降低40%。
3.5　功能完善的系统级故障保护
　　TOPSwitch具有自动重启和逐周电流限制功能，故可对功率变压器初级和次级电路的故障进行保护。TOPSwitch还具有在片热关闭选通功能，可在电路超负荷时有效地保护电源。
3.6　外围电路简单且成本低廉
　　使用TOPSwitch器件，可减少20个～50个元器件，使产品的大小和重量减少50%；TOPSwitch因采用了源极调节板和可控的MOSFET 通态驱动，故电磁干扰(EMI)和EMI滤波器的成本可明显降低。
3.7　以最简方式构成反激式开关电源
　　TOPSwitch-Ⅱ只有3个引出端，可以同三端线性集成稳压器相媲美，能以最简方式构成无工频变压器的反激式普通型或精密型开关电源。开关频率的典型值为100kHz，允许范围90kHz～110kHz，占空比调节范围是1.7%～67%。
4　TOPSwitch 工作原理
　　TOP包括10部分，其中Zc为控制端的动态阻抗，RE是误差电压检测电阻。RA与CA构成截止频率为7kHz的低通滤波器。
4.1　控制电压源
　　控制电压Uc能向并联调整器和门驱动级提供偏置电压，而控制端电流Ic则能调节占空比。Uc有两种工作模式，一种是滞后调节，用于启动和过载两种情况，具有延迟控制作用； 另一种是并联调节，用于分离误差信号与控制电路的高压电流源。刚启动电路时由D-C极之间的高压电流源提供控制端电流Ic。
4.2　带隙基准电压源
　　带隙基准电压源除向内部提供各种基准电压之外，还产生一个具有温度补偿并可调整的电流源，以保证精确设定振荡器频率和门极驱动电流。
4.3　振荡器
　　内部振荡电容是在设定的上、下阈值UH、UL之间周期性地线性充放电，以产生脉宽调制器所需要的锯齿波(SAW) ，与此同时还产生最大占空比信号(Dmax) 和时钟信号(CLOCK)。为减小电磁干扰，提高电源效率，振荡频率(即开关频率)设计为100kHz，脉冲波形的占空比设定为P。
4.4　放大器
　　误差放大器的增益由控制端的动态阻抗Zc来设定。Zc的变化范围是10Ω～20Ω，典型值为15Ω。误差放大器将反馈电压UF与5.7V基准电压进行比较后，输出误差电流Ir，在RE上形成误差电压UR。
4.5　脉宽调制器(PWM)
　　脉宽调制器是一个电压反馈式控制电路，它具有两层含义：①改变控制端电流Ic的大小，即可调节占空比P，实现脉宽调制；②误差电压UR经由RA、CA组成截止频率为7kHz 的低通滤波器，滤掉开关噪声电压之后，加至PWM比较器的同相输入端，再与锯齿波电压UJ进行比较，产生脉宽调制信号UB。
4.6　门驱动级
　　门驱动级(F)用于驱动功率开关管(MOSFET) ，使之按一定速率导通，从而将共模电磁干扰减至最小。漏源导通电阻与产品型号和芯片结温有关。
4.7　过流保护电路
　　过流比较器的反相输入端接阈值电压ULIM IT，同相输入端接MOSFET管的漏极。此外，芯片还具有初始输入电流限制功能。刚通电时可将整流后的直流限制在0.6A 或0.75A。
4.8　过热保护电路
　　当芯片结温TJ>135℃时， 过热保护电路就输出高电平， 将触发器Ⅱ置位， 使Q=1， 关断输出级。此时进入滞后调节模式， Uc端波形也变成幅度为4.7V～5.7V 的锯齿波。若要重新启动电路，需断电后再接通电源开关；或者将控制端电压降至3.3V 以下，达到Uc( reset) 值，再利用上电复位电路将触发器Ⅱ置零，使MOSFET 恢复正常工作。
4.9　关断/自动重启动电路
　　一旦调节失控，关断/自动重启动电路立即使芯片在5%占空比下工作，同时切断从外部流入C端的电流，Uc再次进入滞后调节模式。倘若故障已排除，Uc又回到并联调节模式，自动重新启动电源恢复正常工作。自动重启动的频率为1.2Hz。
4.10　高压电流源
　　在启动或滞后调节模式下，高压电流源经过电子开关S1给内部电路提供偏置，并且对Ct 进行充电。电源正常工作时S1改接内部电源，将高压电流源关断。当TOP开关启动操作时，在控制端环路振荡电路的控制下，漏极端有电流流入芯片，提供开环输入。该输入通过旁路调整器、误差放大器时，由控制端进行闭环调整，改变Ir，经由PWM控制MOSFET的输出占空比，最后达到动态平衡。
5　单片开关电源的典型应用
　　TOP221Y单片开关电源，它是由TOP221Y构成的+ 5V开关电源。
5.1　TOP221Y主要性能参数
　　(1) TOP221Y是宽电压范围的单片开关电源模块，可通过外接少量外围元件组成功率在15W以下的高效率电源。
　　(2) 为提高输出电压的稳压精度，电压采样电路使用了高精度可调稳压管TL431，并通过光电耦合将负反馈电压回馈至TOP221Y 的控制端。
　　(3) 通过合理的印刷板设计，可使电路工作稳定可靠， 电磁辐射降至最小， 也可有效地抗外部电磁干扰， 具有较好的电磁兼容性能。
　　(4) 输出直流电路采用了LC滤波电路，有效消除次级电路中的高频干扰信号。
　　(5) 交流输入电压范围: 85V～265V (47Hz～440Hz)。
　　(6) 直流输出: 5V/0.8A ，纹波小于50mV。
　　(7) 该电源具有约1% 的电压调整率和负载调整率，整机效率可达70%以上。
　　(8) 工作温度范围: 0～75℃。
5.2　电路工作原理
　　交流电AC(范围为120V～265V) 由两个AC接点输入，经C1和L1组成的EMI滤波器抑制电磁噪声，进入整流电路。由于TOP221Y具有频率抖动特性，可有效抑制噪声干扰，因而在小功率开关电源中，只需简单的EMI 滤波器，并采用合理的接地技术，即可符合有关电磁兼容性要求。BR1为整流电路，这里选用快恢复特性的整流桥2KPB06M，整流后的脉动直流电经C2滤波，提供给TOP221Y开关调制电路。高频变压器的次级绕组有两个，一个是主绕组，它提供电源的主能量，高频电压经快速二极管SB540整流后由滤波电容C4、C5滤波， 再经L2组成低通滤波器向负载输出。L2主要是抑制高频噪声向负载输出，以防止负载受其干扰。输出端的电解电容C8是为了降低输出的交流纹波系数而加的，它主要是降低输出直流电压的交流纹波。
　　另一个次级绕组组成反馈电压绕组，由二极管整流后加在光敏管两端，输出的反馈电压加在光耦的二极管正极上，电阻R5和稳压管U1组成基准电压源，为光耦提供基准电压，这样光耦中的二极管的发光强度是由输出电压控制的，经光耦耦合到TOP221Y的控制端，从而实现脉宽的可控，达到稳压目的。电阻R6和C7是控制环路的补偿元件。
　　该电源的输入电压范围可达85V～265V AC，输出电压为5V DC，可提供0.8A的电流输出。负载调整率为±1% ，电源效率约为70%，输出纹波电压小于50mV。电路使用了最简的设计， 作为一些掌上型电器的适配电源， 完全可以满足要求。
6　结束语
　　由于TOP 芯片内部完全集成了SMS的全部功能，所以利用它设计开关电源周期短、成本低。随着TOP 开关系列的不断发展与改进，其在开关电源及其它应用领域中必将有着更加灿烂的前景。 



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