單片開關(guān)電源的應(yīng)用及發(fā)展

摘 要： 目前中、小功率開關(guān)電源正朝著單片集成化的方向發(fā)展。本文詳細闡述近年來問世的各種單片開關(guān)電源的性能特點及典型應(yīng)用。

單片開關(guān)電源集成電路具有高集成度、高性價比、最簡外圍電路、最佳性能指標、能構(gòu)成高效率無工頻變壓器的隔離式開關(guān)電源等優(yōu)點。它于90年代中、后期相繼問世后，便顯示出強大的生命力，目前它成為國際上開發(fā)中、小功率開關(guān)電源、精密開關(guān)電源及電源模塊的優(yōu)選集成電路。由它構(gòu)成的開關(guān)電源，在成本上與同等功率的線性穩(wěn)壓電源相當，而電源效率顯著提高，體積和重量則大為減小。這就為新型開關(guān)電源的推廣與普及，創(chuàng)造了良好條件。

１ 集成開關(guān)電源的發(fā)展簡況

開關(guān)電源被譽為高效節(jié)能電源，它代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向，現(xiàn)已成為穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品。近20多年來，集成開關(guān)電源沿著下述兩個方向不斷發(fā)展。第一個方向是對開關(guān)電源的核心單元――控制電路實現(xiàn)集成化。1997年國外首先研制成脈寬調(diào)制（PWM）控制器集成電路，美國摩托羅拉公司、硅通用公司（Silicon General）、尤尼特德公司（Unitrode）等相繼推出一批PWM芯片，典型產(chǎn)品有MC3520、SG3524、UC3842。90年代以來，國外又研制出開關(guān)頻率達1MHz的高速PWM、PFM（脈沖頻率調(diào)制）芯片，典型產(chǎn)品如UC1825、UC1864。第二個方向則是對中，小功率開關(guān)電源實現(xiàn)單片集成化。這大致分兩個階段：80年代初意－法半導(dǎo)體有限公司（SGS－Thomson）率先推出L4960系列單片開關(guān)式穩(wěn)壓器。該公司于90年代又推出了L4970A系列。其特點是將脈寬調(diào)制器、功率輸出級、保護電路等集成在一個芯片中，使用時需配工頻變壓器與電網(wǎng)隔離，適于制作低壓輸出（5.1～40V）、大中功率（400W以下）、大電流（1.5A～10A）、高效率（可超過90%）的開關(guān)電源。但從本質(zhì)上講，它仍屬DC/DC電源變換器。

1994年，美國動力（Power）公司在世界上首先研制成功三端隔離式脈寬調(diào)制型單片開關(guān)電源，被人們譽為“頂級開關(guān)電源”。其第一代產(chǎn)品為TOPSwitch系列，第二代產(chǎn)品則是1997年問世的TOPSwitch-II系列。該公司于1998年又推出了高效、小功率、低價格的四端單片開關(guān)電源TinySwitch系列。在這之后，Motorola公司于1999年又推出MC33370系列五端單片開關(guān)電源，亦稱高壓功率開關(guān)調(diào)節(jié)器（HighVoltage Power Switching Regulator）。目前，單片開關(guān)電源已形成四大系列、近70種型號的產(chǎn)品。

２ TOPSwitch-11系列三端單片開關(guān)電源

根據(jù)封裝形式，TOPSwitch－II可劃分成三種類型：TOP221Y~227Y（TO-220封裝）， TOP221P~224P（DIP-8封裝），TOP221G~224G（SMD-8封裝），產(chǎn)品分類詳見表１。

其中以TOP227Y的輸出功率為最大。

2.1 TOPSwitch-11的性能特點

(1) TOPSWitch-II內(nèi)部包括振蕩器、誤差放大器、脈寬調(diào)制器、門電路、高壓功率開關(guān)管（MOSFET）、偏置電路、過流保護電路、過熱保護及上電復(fù)位電路、關(guān)斷／自動重啟動電路。它通過高頻變壓器使輸出端與電網(wǎng)完全隔離，使用安全可*。它屬于漏極開路輸出的電流控制型開關(guān)電源。由于采用CMOS電路，使器件功耗顯著降低。

(2) 只有三個引出端：控制端C、源極S、漏極D，可同三端線性穩(wěn)壓器相媲美，能以最簡方式構(gòu)成無工頻變壓器的反激式開關(guān)電源。為完成多種控制、偏置及保護功能，C、D均屬多功能引出端，實現(xiàn)了一腳多用。以控制端為例，它具有三項功能：①該端電壓VC為片內(nèi)并聯(lián)調(diào)整器和門驅(qū)動級提供偏壓；②該端電流IC能調(diào)節(jié)占空比；③該端還作為電源支路與自動重啟動／補償電容的連接點，通過外接旁路電容來決定自動重啟動的頻率，并對控制回路進行補償。

　(3) 輸入交流電壓的范圍極寬。作固定電壓輸入時可選220V±15%交流電，若配85~265V寬范圍變化的交流電，最大輸出功率要降低40%。開關(guān)電源的輸入頻率范圍是47~440Hz。

(4) 開關(guān)頻率典型值為100KHz，占空比調(diào)節(jié)范圍是1.7%～67%。電源效率為80%左右，最高可達90%，比線性集成穩(wěn)壓電源提高近一倍。其工作溫度范圍是0～70℃芯片最高結(jié)溫Tjm=135℃。

(5) TOPSwitch-II的基本工作原理是利用反饋電流IC來調(diào)節(jié)占空比D，達到穩(wěn)壓目的。舉例說明，當由于某種原因致使開關(guān)電源的輸出電壓VOT時，經(jīng)過光耦反饋電路就使Ic↑→誤差電壓Vrt→D↓→Vo↓，使Vo保持不變。反之亦然。

(6) 外圍電路簡單，成本低廉。外部僅需接整流濾波器、高頻變壓器、初級保護電路、反饋電路和輸出電路。采用此類芯片還能降低開關(guān)電源產(chǎn)生的電磁干擾。

2.2 典型應(yīng)用

TOPSwitch-II可廣泛用于儀器儀表、筆記本電腦、移動電話、電視機、VCD和DVD、攝錄像機、電池充電器、功率放大器等領(lǐng)域，并能構(gòu)成各種小型化、高密度、低成本的開關(guān)電源模塊。此外，它還適合構(gòu)成后備式開關(guān)電源，非隔離式開關(guān)電源、恒流恒壓輸出開關(guān)電源，供無線通信用的DC/DC電源變換器、恒功率調(diào)節(jié)器、功率因數(shù)補償器等。

2.3 電路設(shè)計要求

(1)TOPSwitch-II的反饋電路中需配光電耦合器與輸出電路隔離。設(shè)計精密開關(guān)電源時，還應(yīng)增加一片TL431型可調(diào)式精密關(guān)聯(lián)穩(wěn)壓器，由它構(gòu)成外部誤差放大器，來代替取樣電路中的穩(wěn)壓管。精密開關(guān)電源的電壓調(diào)整率Sv、電流調(diào)整率Sl均可達±0.2%左右，接近于線性集成穩(wěn)壓電源的指標。

(2)應(yīng)選用電流傳輸比（CTR）能線性變化的光電耦合器，如PC817A，NEC2501、6N137等型號，不推薦采用4N25、4N35等4N××型普通光耦。后者的線性度差，傳輸模擬信號時會造成失真，影響開關(guān)電源的穩(wěn)壓性能。

(3)高頻變壓器的初級必須設(shè)置保護電路，用以吸收漏感引起的尖峰電壓，確保MOSFET不被損壞。這種保護電路應(yīng)并聯(lián)在初級上，具體有4種設(shè)計方案：①由瞬變電壓抑制二極管（TVS）和超快恢復(fù)二極管（SRD）組成鉗位電路；②由TVS與硅整流管（VD）構(gòu)成的鉗位電路；③由阻容元件與SRD構(gòu)成的吸收電路；④由阻容件與VD構(gòu)成的吸收電路。上述方案中以①的效果最佳，能充分發(fā)揮TVS響應(yīng)速度極快、可承受高能量瞬態(tài)脈沖之優(yōu)點。方案②次之。

(4)使用芯片時需加合適的散熱器。對于TO-220封裝，可直接裝在小散板上。對于DIP-8和SMD-8封裝的可將4個源極焊在面積為2.3的印制板敷銅箔上代替散熱片。

(5)為抑制從電網(wǎng)引入的干擾，也防止開關(guān)電源產(chǎn)生的干擾向外部傳輸，需在電源進線端增加一級電磁干擾濾波器（EMI filter）亦稱電源噪聲濾波器（PNF）。

(6)使用此類芯片時，源極引線要盡量短。為使空載或輕載時輸出電壓穩(wěn)定，應(yīng)在穩(wěn)壓電源輸出端接一只幾百歐的電阻作為最小負載，亦可并聯(lián)一只穩(wěn)壓管。