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1、基于TOPSwitch 的开关电源设计 1 引言 功率开关管、PWM控制器和高频变压器是开关电源必不可少的组成部分。传统的开关电源一般均采用分立的高频功率开关管和多引脚的PWM集成控制器，例如采用UC3842MOSFET是国内小功率开关电源中较为普及的设计方法。 90年代以来，出现了PWM/MOSFET二合一集成芯片，他大大降低了开关电源设计的复杂性，减少了开关电源设计所需的时间，从而加快了产品进入市场的速度。 二合一集成控制芯片多采用3脚，4脚，5脚，7脚和8脚封装，其中美国功率集成公司于97年推出的三端脱线式TOPSwitch 系列二合一集成控制器件，是该类器件的代表性产品。2 TOPSw
2、itch 器件简介 TOPSwitch系列器件是三端脱线式PWM开关（Threeterminal Offline PWM Swtich）的英文缩写。TOPSwitch系列器件仅用了3个管脚就将脱线式开关电源所必需的具有通态可控栅极驱动电路的高压N沟道功率的MOS场效应管，电压型PWM控制器，100kHz高频振荡器，高压启动偏置电路，带隙基准，用于环路补偿的并联偏置调整器以及误差放大器和故障保护等功能全部组合在一起了。 TOPSwitch 系列器件是TOPSwitch的升级产品，同后者相比，内部电路做了许多改进，器件对于电路板布局以及输入总线瞬变的敏感性大大减少，故设计更为方便，性能有所增强。其
3、型号包括TOP221TOP227，内部结构如图1所示1。 TOPSwitch 是一个自偏置、自保护的电流占空比线性控制转换器。由于采用CMOS工艺，转换效率与采用双集成电路和分立元件相比，偏置电流大大减少，并省去了用于电流传导和提供启动偏置电流的外接电阻。 漏极 连接内部MOSFET的漏极，在启动时，通过内部高压开关电流源提供内部偏置电流。源极 连接内部MOSFET的源极，是初级电路的公共点和基准点。 控制极 误差放大电路和反馈电流的输入端。在正常工作时，由内部并联调整器提供内部偏流。系统关闭时，可激发输入电流，同时也是提供旁路、自动重启和补偿功能的电容连接点。 控制电压 控制极的电压Vc给控
4、制器和驱动器供电或提供偏压。接在控制极和源极之间的外部旁路电容CT，为栅极提供驱动电流，并设置自动恢复时间及控制环路的补偿。在正常工作（输出电压稳定）时，反馈控制电流给Vc供电，并联稳压器使Vc保持在4.7V。在启动时，控制极的电流由内部接在漏极和控制极之间的高压开关电流源提供。控制极电容CT放电至阈值电压以下时，输出MOSFET截止，控制电路处于备用方式。此时高压电流源接通，并再次给电容CT充电。通过高压电流源的接通和断开，使Vc保持在4.75.7V之间。 带隙基准 TOPSwitch 内部电压取自具有温度补偿的带隙基准电压。此基准电压也能产生可微调的温度补偿电流源，用来精确地调节振荡器的频
5、率和MOSFET栅极驱动电流。 振荡器 内部振荡器通过内部电容线性地充电放电，产生脉宽调制器所需的的锯齿波电压。为了降低EMI并提高电源的效率，振荡器额定频率为100kHz。 脉宽调制器 流入控制极的电流在RE两端产生的压降，经RC电路滤波后，加到PWM比较器的同相输入端，与振荡器输出的锯齿波电压比较，产生脉宽调制信号，该信号驱动输出MOSFET实现电压型控制。正常工作时，内部MOSFET输出脉冲的占空比随着控制极电流的增加而线性减少，如图2所示1。 栅极驱动器 栅极驱动器以一定速率使输出MOSFET导通。为了提高精确度，栅极驱动电流还可以进行微调逐周限流。逐周限流电路用输出MOSFET的导通
6、电阻作为取样电阻，限流比较器将MOSFET导通时的漏源电压与阈值电压VILIMIT进行比较。漏极电流过大时，漏源电压超过阈值电压，输出MOSFET关断，直到下一个周期，输出MOSFET才能导通。 误差放大器 误差放大器的电压基准取自温度补偿带隙基准电压；误差放大器的增益则由控制极的动态阻抗设定。 系统关闭/自动重动 为了减少功耗，当超过调整状态时，该电路将以5的占空比接通和关断电源。 过热保护 当结温超过热关断温度（135）时，模拟电路将关断输出MOSFET。 高压偏流源 在启动期间，该电流源从漏极偏置TOPSwitch ，并对控制极外界电容CT充电。 在TOPSwitch 系列中，TOP22
7、5TOP227采用TO220封装形式，而TOP221TOP224则有TO220和DIP8，SMD8三种封装形式，如图3所示1。考虑到DIP8和SMD8的散热情况，采用这2种封装形式的器件输出功能要适当降低。 3 TOPSwitch 应用于反激式功率变换电路 在开关电源电路中，基本类型有5种：单端反激式、单端正激式、推挽式、半桥式和全桥式。对于100W以下的开关电源，多采用单端反激式变换器，反激式功率变换电路中的变压器，除了起隔离作用之外，还具有储能的功能。反激式功率变换电路结果比较简单，输出电压不受输入电压的限制，亦可提供多路电压输出。TOPSwitch 系列应用于单端反激式变换器，典型用法如
8、图4所示2。 在图4中，（a）将偏置线圈通过限流电阻直接作为TOPSwitch 控制极的输入；（b）在（a）的基础上增加了稳压管，是（a）的增强型；（c）中输出电压通过光耦作用于TOPSwitch 控制极，在输出电压反馈精度上有所提高；（d）在（c）基础上增加了精密基准TL431，使得输出稳压精度和负载调整率都能获得较高的精度。4种变换电路的效果如表1所示。 4 应用实例 图5为输入电压为85265V，输出为15V的反激式开关电源实际电路。其采用图4中（d）的反馈电路形式。 交流电压经整流桥V2整流和C2滤波后，产生的高压直流电压加至变压器一端，变压器另一端与TOP224的漏极相连。R9，C8
9、和V3为缓冲吸收电路，用以吸收TOP224在关断过程中由于变压器漏感引起的电压尖峰过冲。 偏置线圈经V7和C2整流滤波后产生TOP224所需的偏置电压；C6能够滤除TOP224内部MOSFET栅极充电电流的峰值，确定重新启动的频率，并与R1，R2一起补偿控制回路。 TLP431并联稳压器内部包含2.5V带隙基准电压、运算放大器和驱动器，作次级基准误差放大器用。调节RP1可对输出电压实现微调。当输出电压受某种原因发生波动时，通过TL431等器件组成的反馈电路，改变流过光耦PC817的发光二极管的电流，从而改变流入TOP224控制极的电流，调整TOP224内部MOSFET的输出占空比，使输出电压重
10、新稳压。 5 结语 采用TOPSwitch 器件的开关电源与采用分立的MOSFET功率开关及PWM集成控制器的开关电源相比，具有以下特点： （1）成本低廉 TOPSwitch 采用CMOS工艺制作，并在芯片中集成了尽可能多的功能，故与传统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，可大量减少元器件，使产品的成本和体积均大大减少； （2）电源设计简化 TOPSwitch 器件集成了PWM控制器和高压MOSFET，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； （3）功能完善的保护 TOPSwitch 具有自动重启和逐周电流限制功能，可对功率变压器初级和次级电路的故障进行保护；其还具有过热保护和过流保护功能，可在电路过载时有效地保护电源。
