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1、TOP204-单片开关电源原理及应用 1 前言 开关电源自 20 世纪 70 年代开始应用以来，涌现出许多功能完备的集成控制电路，使开关电源电路日益简化，工作频率不断提高，效率大大提高，并为电源小型化提供了广阔的前景。三端离线式脉宽调制单片开关集成电路TOP(Threeterminaloffline)将 PWM 控制器与功率开关 MOSFET 合二为一封装在一起，已成为开关电源 IC 发展的主流。采用 TOP 开关集成电路设计开关电源，可使电路大为简化，体积进一步缩小，成本也明显降低。 2.TOP 开关结构及工作原理 2.1 结构 TOP 开关集各种控制功能、保护功能及耐压 700V 的功率开
2、关 MOSFET 于一体，采用 TO220 或 8 脚 DIP 封装。少数采用 8 脚封装的 TOP 开关，除 D、C 两引脚外，其余 6 脚实际连在一起，作为 S 端，故仍系三端器件。三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，起动操作时，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。 2.2
3、 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。主要特点是： （1）前沿消隐设计，延迟了次级整流二级管反向恢复产生的尖峰电流冲击； （2）自动重起动功能，以典型值为 5的自动重起动占空比接通和关断； （3）低电磁干扰性（EMI），TOP 系列器件采用了与外壳的源极相连，使金属底座及散热器的 dv/dt=0，从而降低了电压型控制方式与逐周期峰值电流限制; （4）电压型控制方式与逐周期峰值电流限制。 下面简要叙述一下： （1）控制电压源 控制电压 Uc 能向并联调整器和门驱动极提供偏置电压，而控制
4、端电流 Ic 则能调节占空比。控制端的总电容用 Ct 表示，由它决定自动重起动的定时，同时控制环路的补偿，Uc 有两种工作模式，一种是滞后调节，用于起动和过载两种情况，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。刚起动电路时由 DC 极之间的高压电流源提供控制端电流 Ic，以便给控制电路供电并对 Ct 充电。 （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。 （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
5、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 D。 （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1020，典型值为 15。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。 （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。第一、改变控制端电流 Ic 的大小，即可调节占空比 D，实现脉宽调制。第二、误差电压 UR 经由RA、CA
6、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。 （6）门驱动级和输出级 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。MOSFET 管的漏 源击穿电压 U(bo)ds700V。 （7）过流保护电路 过流比较器的反相输入端接阈值电压 ULIMIT，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。 （8）过热保护电路 当芯
7、片结温 TJ135时，过热保护电路就输出高电平，将触发器置位，Q=1，Q=0，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4.7V5.7V 的锯齿波。若要重新起动电路，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置零，使 MOSFET 恢复正常工作。 （9）关断/自起动电路 一旦调节失控，关断/自动重起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。倘若故障己排除，Uc 又回到并联调节模式，自动重新起动电源恢复正常工作。自动重起动的频率为1.2Hz。 图 1T
8、OP 开关内部工作原理框图图 212V/30W 小功率开关电源原理图（10）高压电流源 在起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 开关起动操作时，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。3TOP 开关的典型应用 3.112V/30W 小功率开关电源 12V/30W 小功率开关电源原理图如图 2 所示。该电源特性是
9、：简单，直接可与220V 交流电源连接，经桥式整流电容滤波后产生 300V 直流高电压起动开关电源工作。并且重量轻、体积小，接线简单外围元件少。 该电路特点是利用三极管 Q1，二极管 D8 及电阻 R5、R6 组成过低压保护电路，当输入电压降低到一定程度时，Q1 导通，控制端 C 电位降低，TOP 开关关闭，开关电源没有输出。 （1）输入电路 电网交流 220V 输入电压经桥式整流、电容滤波后产生 300V 直流高压起动开关电源工作。 （2）电源变换器部分 在该电路中，T2 为高频变压器，其中 N1 为初级绕组（35T） N2 为反馈绕组（15T） N3 为次级隔离输出绕组（7T） 开关电源工
10、作后，反馈绕组 N2 经整流、滤波、限流后送至 TOP 开关控制极 C，以调整 TOP 开关内部 PWM 占空比。当因某种原因如负载变轻引起输出电压升高时，N2 电压将升高，即流入 TOP 开关控制端 C 的电流增加。在振荡电路的控制下，漏极端 D 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，由控制端进行闭环调整，经由 PWM 控制 MOSFET 的输出占空比，使其占空比线性减小，从而使输出电压下降，最后达到动态平衡，保持输出稳定。电路中并接于初级绕组 N1 两端的瞬态电压抑制二极管 D5、电容 C4 及快速二极管D6 组成钳位削峰电路。钳制电感放电脉冲的最高电位，减少漏感
11、抗引起的漏极端电压畸变。在实际绕制高频电源变压器时，为了减小漏感的影响，可采用初级与次级相互交叉的绕制方法。同时，采用自我屏蔽作用较为良好的罐形磁芯，将线圈都用磁芯封在里边。 （3）反馈控制回路 电容 C6 决定软起动恢复时间，C6、R5、R4、C5、D7 决定控制回路的零点。R4阻值过小，限流线性差，容易导致 TOP 开关损坏；过大则调整线性差。在实验中取值为 10k （4）输出回路 N3、D10、C8、D11 构成输出回路。肖特基势垒整流二极管 D10 对高频变压器次级的高频方波电压进行整流，经低 ESR 值的电解电容滤波及双向瞬态电压抑制二极管 D11 削峰稳压后，提供给负载电路。R7
12、既可改善电源本身的输出阻抗，又能小幅度地调整输出电压的范围，同时又可在电源空载时为电容 C8 提供放电回路。R7 取值为 430。 图 3125V/25W 精密开关电源原理图 3.212.5V/25W 精密开关电源 12.5V/25W 精密开关电源原理图如图 3 所示。由 TOP204 构成隔离式12.5V、2A（25W）开关电源电路，该电源的特性为：当交流输入电压 U 从85V 变化到 265V 时，电压调整率为0.2；当负载电流从 10(0.2A)变化到100(2A)时，负载调整率也达0.2，可与线性集成稳压电源相媲美。该电路的主要特点是利用一片 TL431(IC3)与光电耦合器(IC2)构成外部误差放大器。它再与片内误差放大器配合使用，对控制电流进行精细调整，从而大大提高了稳压性能。 4 结语 由于 TOP 芯片内部完全集成了 SMPS 的全部功能，所以利用它设计出的开关电源周期短，成本低，对于小功率电源，简单，体积小，重量轻。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。
