TOPSwitch器件在電源中的應(yīng)用

摘要：采用PWM控制器和MOSFET功率開關(guān)一體化的集成控制芯片是新一代開關(guān)電源設(shè)計(jì)的重要特點(diǎn)和趨勢(shì)。本文介紹美國(guó)功率集成公司（PowerIntegrationsInc.）于九十年代中期研制推出的三端PWM/MOSFET二合一集成控制器件TOPSwitch系列及其在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，同時(shí)介紹如何應(yīng)用EXCEL電子表格設(shè)計(jì)與TOPSwitch相匹配的高頻功率變壓器的程序。

1引言

　　MOSFET功率開關(guān)、PWM控制器和高頻功率變壓器是開關(guān)電源必不可少的組成部分。其中，特別是PWM控制器和變壓器的設(shè)計(jì)是開關(guān)電源設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

　　傳統(tǒng)開關(guān)電源設(shè)計(jì)一般均采用分立的MOSFET功率開關(guān)和多引腳的PWM集成控制器，電路的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，系統(tǒng)的穩(wěn)定性不夠理想，分立的MOSFET功率開關(guān)對(duì)開關(guān)電源的效率亦有限制。為了解決傳統(tǒng)開關(guān)電源設(shè)計(jì)面臨的這些難題，90年代以來，出現(xiàn)了將開關(guān)電源中最重要的兩個(gè)部分——PWM集成電路和MOSFET功率開關(guān)，集成在同一塊芯片上，構(gòu)成PWM/MOSFET二合一集成芯片的趨勢(shì)，二合一集成控制芯片的問世，降低了開關(guān)電源設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，減少了開關(guān)電源設(shè)計(jì)所需的時(shí)間，從而大大加快了產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)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，交流輸入電壓為世界各國(guó)均可通用的(85～265)V或(90～270)V，開關(guān)頻率為(30～220)kHz，輸出功率從10W到200W，可在充電器、VCR、打印機(jī)、適配器、轉(zhuǎn)接器、衛(wèi)星接收器、個(gè)人電腦、監(jiān)視器和彩電等設(shè)備的開關(guān)電源中廣泛應(yīng)用，美國(guó)功率集成公司（PowerIntegrationsInc.）于九十年代中期研制推出的三端脫線式TOPSwitch系列二合一集成控制器件，大多采用3腳的TO220封裝，其引腳數(shù)目是目前同類產(chǎn)品中最少的，因而是該類器件的代表性產(chǎn)品。

2TOPSwitch器件簡(jiǎn)介

　　TOPSwitch系列器件是三端脫線式PWM開關(guān)（ThreeterminalOfflinePWMSwtich）的英文縮寫。TOPSwitch系列器件主要包括下列型號(hào)：TOP100～TOP104，TOP200～TOP204/TOP214，TOP209/TOP210。

　　TOPSwitch系列器件僅用了三個(gè)管腳就將脫線式開關(guān)電源所必需的具有通態(tài)可控柵極驅(qū)動(dòng)電路的高壓N溝道功率的MOS場(chǎng)效應(yīng)管，電壓型PWM控制器，100kHz高頻振蕩器，高壓起動(dòng)偏置電路，帶隙基準(zhǔn)，用于環(huán)路補(bǔ)償?shù)牟⒙?lián)偏置調(diào)整器以及誤差放大器和故障保護(hù)等功能全部組合在一起了。采用TOPSwitch器件的開關(guān)電源與采用分立的MOSFET功率開關(guān)及PWM集成控制器的開關(guān)電源相比，具有以下特點(diǎn)：

　?。?）成本低廉。使用TOPSwitch器件，可減少20～50個(gè)元器件，使產(chǎn)品的大小和重量減少50％；TOPSwitch因采用了源極調(diào)節(jié)板和可控的MOSFET通態(tài)驅(qū)動(dòng)，故電磁干擾(EMI)和EMI濾波器的成本可明顯降低；

　　（2）系統(tǒng)效率高。TOPSwitch系采用CMOS工藝制作，并在芯片中集成了盡可能多的功能，故與采用二極管或分立的功率開關(guān)電路相比，偏置電流顯著降低；開關(guān)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起動(dòng)偏壓電流的電路均可除去，系統(tǒng)效率大大提高。特別是TOPSwitch器件專門針對(duì)反激式功率變換電路進(jìn)行了優(yōu)化，使最大值占空比可達(dá)70％，TOP100～TOP104，TOP200～TOP204/TOP214的效率可達(dá)90％，TOP209/TOP210的效率也可超過80％；

　　（3）電源設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化。TOPSwitch器件在3腳的TO220封裝中集成了PWM控制器和高壓MOSFET功率開關(guān)，只需外接一個(gè)電容就能實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償、旁路、起動(dòng)和自動(dòng)重起功能。另外，美國(guó)功率集成公司還為TOPSwitch器件提供了許多標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的電路板，使應(yīng)用TOPSwitch的設(shè)計(jì)更為方便，極大地縮短了產(chǎn)品開發(fā)至進(jìn)入市場(chǎng)所需的時(shí)間；

　?。?）應(yīng)用靈活性高。TOPSwitch器件支持降壓型、升壓型、正激式和反激式功率變換電路，并且很容易和光耦及變壓器初級(jí)的反饋電路結(jié)合，無論在連續(xù)傳導(dǎo)模式和不連續(xù)傳導(dǎo)模式下均可工作；

　?。?）功能完善的系統(tǒng)級(jí)故障保護(hù)。TOPSwitch具有自動(dòng)重起和逐周電流限制功能，故可對(duì)功率變壓器初級(jí)和次級(jí)電路的故障進(jìn)行保護(hù)。TOPSwitch還具有在片熱關(guān)閉選通功能，可在電路超負(fù)荷時(shí)有效地保護(hù)電源。

　　一般，TOP100～TOP104主要應(yīng)用于輸入電壓為100V或110VAC，功率在（0～60）W范圍內(nèi)的開關(guān)電源或功率在（0～110）W范圍內(nèi)采用功率因數(shù)校正(PFC)的開關(guān)電源。同樣適用于功率在（0～25）W范圍內(nèi)的無線通信、有線通信以及其他DC/DC變換的應(yīng)用。

　　TOP200～TOP204/TOP214則適于輸入電壓為100V，110V或230VAC，功率在（0～100）W范圍內(nèi)的開關(guān)電源〔如在三種輸入電壓下均能工作，則功率限制在（0～50）W范圍內(nèi)〕，或輸入為230V或277VAC，功率在（0～150）W范圍內(nèi)采用功率因數(shù)校正的開關(guān)電源。

　　由于TOP100～TOP104采用的是350V的MOSFET，TOP200～TOP204/TOP214采用的是700V的MOSFET，故后者能在輸入電壓更高、系統(tǒng)功率更大的應(yīng)用中使用。兩組器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全相同，均如圖1所示。

　　TOP100～TOP104和TOP200～TOP204/TOP214采用圖2(a)所示3腳的TO220封裝，管腳定義如下：　　漏極——連接內(nèi)部MOSFET的漏極，在起動(dòng)時(shí)，通過內(nèi)部高壓開關(guān)電流源提供內(nèi)部偏置電流。

　　源極——連接內(nèi)部MOSFET的源極，是初級(jí)電路的公共點(diǎn)，電源回流和基準(zhǔn)點(diǎn)。

　　控制極——誤差放大電路和反饋電流的輸入端。在正常工作時(shí)，由內(nèi)部并聯(lián)調(diào)整器提供內(nèi)部偏流。系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)，可激發(fā)輸入電流，同時(shí)也是提供旁路、自動(dòng)重起和補(bǔ)償功能的電容連接點(diǎn)。

　　值得注意的是，TOP209/TOP210還特別為小功率備用電源應(yīng)用作了優(yōu)化，彌補(bǔ)了TOPSwitch系列在這一類應(yīng)用中的不足。應(yīng)用TOP209可以設(shè)計(jì)出性價(jià)比更高的開關(guān)電源，可為綠色或節(jié)能產(chǎn)品，如個(gè)人電腦、監(jiān)視器、UPS、復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)提供備用電源，還可在諸如電視、家用電器、工業(yè)控制器和個(gè)人電腦等產(chǎn)品中應(yīng)用。

　　TOP209/TOP210內(nèi)部結(jié)構(gòu)和TOP100～TOP104和TOP200～TOP204/TOP214的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相比只有細(xì)微的差別。不過，TOP209/TOP210采用的是8腳DIP封裝方式，如圖2(b)所示。

　　1997年，美國(guó)功率集成公司又推出了TOP

圖1TOPSwitch系列器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

(a)TO220封裝(b)DIP8封裝

圖2TOPSwitch器件管腳

圖3TOPSwitch并螄盜釁骷內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

Switch并螄盜釁骷。TOPSwitch并螄盜釁骷同TOPSwitch系列器件相比，內(nèi)電路作了許多改進(jìn)，器件對(duì)于電路板布局以及輸入總線瞬變的敏感性大大減少，故設(shè)計(jì)更為方便，性能又有了增強(qiáng)，性能價(jià)格比更高。與TOPSwitch系列器件相比，TOPSwitch并螄盜釁骷在輸入電壓為100V、115V或230VAC時(shí)，系統(tǒng)功率從（0～100)W提高到（0～150）W，在三種電壓下均可工作時(shí)，系統(tǒng)的功率從（0～50）W提高到（0～90）W，從而使得TOPSwitch并蚱骷可在如電視、監(jiān)視器以及音頻放大器等許多新的應(yīng)用范圍內(nèi)使用。

　　TOPSwitch并螄盜釁骷包括TOP221～TOP227，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。美國(guó)功率集成公司為TOPSwitch并蚱骷提供了多種封裝方式，其中8腳的PDIP封裝方式內(nèi)部的引線框，可使用6個(gè)管腳將熱量直接從芯片傳送到電路板上，從而節(jié)省了使用散熱器的成本。

3TOPSwitch器件在不同功率變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

　　TOPSwitch系列器件可在降壓型、升壓型、正激和反激式功率變換電路中使用。