基于TOPSwitch Ⅱ的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)

1 引言

功率開(kāi)關(guān)管、pwm控制器和高頻變壓器是開(kāi)關(guān)電源必不可少的組成部分。傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)電源一般均采用分立的高頻功率開(kāi)關(guān)管和多引腳的pwm集成控制器，例如采用uc3842＋mosfet是國(guó)內(nèi)小功率開(kāi)關(guān)電源中較為普及的設(shè)計(jì)方法。

90年代以來(lái)，出現(xiàn)了pwm/mosfet二合一集成芯片，他大大降低了開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，減少了開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)所需的時(shí)間，從而加快了產(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，其中美國(guó)功率集成公司于97年推出的三端脫線式topswitch ⅱ系列二合一集成控制器件，是該類器件的代表性產(chǎn)品。

2 topswitch ⅱ器件簡(jiǎn)介

topswitch系列器件是三端脫線式pwm開(kāi)關(guān)（three－terminal off－line pwm swtich）的英文縮寫。topswitch系列器件僅用了3個(gè)管腳就將脫線式開(kāi)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?jiǎn)?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。

topswitch ⅱ系列器件是topswitch的升級(jí)產(chǎn)品，同后者相比，內(nèi)部電路做了許多改進(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，性能有所增強(qiáng)。其型號(hào)包括top221－top227，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。

topswitch ⅱ是一個(gè)自偏置、自保護(hù)的電流－占空比線性控制轉(zhuǎn)換器。由于采用cmos工藝，轉(zhuǎn)換效率與采用雙集成電路和分立元件相比，偏置電流大大減少，并省去了用于電流傳導(dǎo)和提供啟動(dòng)偏置電流的外接電阻。

漏極 連接內(nèi)部mosfet的漏極，在啟動(dòng)時(shí)，通過(guò)內(nèi)部高壓開(kāi)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)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)重啟和補(bǔ)償功能的電容連接點(diǎn)。

控制電壓 控制極的電壓vc給控制器和驅(qū)動(dòng)器供電或提供偏壓。接在控制極和源極之間的外部旁路電容ct，為柵極提供驅(qū)動(dòng)電流，并設(shè)置自動(dòng)恢復(fù)時(shí)間及控制環(huán)路的補(bǔ)償。在正常工作（輸出電壓穩(wěn)定）時(shí)，反饋控制電流給vc供電，并聯(lián)穩(wěn)壓器使vc保持在4.7v。在啟動(dòng)時(shí)，控制極的電流由內(nèi)部接在漏極和控制極之間的高壓開(kāi)關(guān)電流源提供?？刂茦O電容ct放電至閾值電壓以下時(shí)，輸出mosfet截止，控制電路處于備用方式。此時(shí)高壓電流源接通，并再次給電容ct充電。通過(guò)高壓電流源的接通和斷開(kāi)，使vc保持在4.7－5.7v之間。

帶隙基準(zhǔn) topswitch ⅱ內(nèi)部電壓取自具有溫度補(bǔ)償?shù)膸痘鶞?zhǔn)電壓。此基準(zhǔn)電壓也能產(chǎn)生可微調(diào)的溫度補(bǔ)償電流源，用來(lái)精確地調(diào)節(jié)振蕩器的頻率和mosfet柵極驅(qū)動(dòng)電流。

振蕩器 內(nèi)部振蕩器通過(guò)內(nèi)部電容線性地充電放電，產(chǎn)生脈寬調(diào)制器所需的的鋸齒波電壓。為了降低emi并提高電源的效率，振蕩器額定頻率為100khz。

脈寬調(diào)制器 流入控制極的電流在re兩端產(chǎn)生的壓降，經(jīng)rc電路濾波后，加到pwm比較器的同相輸入端，與振蕩器輸出的鋸齒波電壓比較，產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)，該信號(hào)驅(qū)動(dòng)輸出mosfet實(shí)現(xiàn)電壓型控制。正常工作時(shí)，內(nèi)部mosfet輸出脈沖的占空比隨著控制極電流的增加而線性減少，如圖2所示[1]。

柵極驅(qū)動(dòng)器 柵極驅(qū)動(dòng)器以一定速率使輸出mosfet導(dǎo)通。為了提高精確度，柵極驅(qū)動(dòng)電流還可以進(jìn)行微調(diào)逐周限流。逐周限流電路用輸出mosfet的導(dǎo)通電阻作為取樣電阻，限流比較器將mosfet導(dǎo)通時(shí)的漏源電壓與閾值電壓vilimit進(jìn)行比較。漏極電流過(guò)大時(shí)，漏源電壓超過(guò)閾值電壓，輸出mosfet關(guān)斷，直到下一個(gè)周期，輸出mosfet才能導(dǎo)通。

誤差放大器 誤差放大器的電壓基準(zhǔn)取自溫度補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)電壓；誤差放大器的增益則由控制極的動(dòng)態(tài)阻抗設(shè)定。

系統(tǒng)關(guān)閉/自動(dòng)重動(dòng) 為了減少功耗，當(dāng)超過(guò)調(diào)整狀態(tài)時(shí)，該電路將以5％的占空比接通和關(guān)斷電源。

過(guò)熱保護(hù) 當(dāng)結(jié)溫超過(guò)熱關(guān)斷溫度（135℃）時(shí)，模擬電路將關(guān)斷輸出mosfet。

高壓偏流源 在啟動(dòng)期間，該電流源從漏極偏置topswitch ⅱ，并對(duì)控制極外界電容ct充電。

在topswitch ⅱ系列中，top225－top227采用to－220封裝形式，而top221－top224則有to－220和dip－8，smd－8三種封裝形式，如圖3所示[1]?？紤]到dip－8和smd－8的散熱情況，采用這2種封裝形式的器件輸出功能要適當(dāng)降低。

3 topswitch ⅱ應(yīng)用于反激式功率變換電路

在開(kāi)關(guān)電源電路中，基本類型有5種：?jiǎn)味朔醇な?、單端正激式、推挽式、半橋式和全橋式。?duì)于100w以下的開(kāi)關(guān)電源，多采用單端反激式變換器，反激式功率變換電路中的變壓器，除了起隔離作用之外，還具有儲(chǔ)能的功能。反激式功率變換電路結(jié)果比較簡(jiǎn)單，輸出電壓不受輸入電壓的限制，亦可提供多路電壓輸出。topswitch ⅱ系列應(yīng)用于單端反激式變換器，典型用法如圖4所示[2]。

在圖4中，（a）將偏置線圈通過(guò)限流電阻直接作為topswitch ⅱ控制極的輸入；（b）在（a）的基礎(chǔ)上增加了穩(wěn)壓管，是（a）的增強(qiáng)型；（c）中輸出電壓通過(guò)光耦作用于topswitch ⅱ控制極，在輸出電壓反饋精度上有所提高；（d）在（c）基礎(chǔ)上增加了精密基準(zhǔn)tl431，使得輸出穩(wěn)壓精度和負(fù)載調(diào)整率都能獲得較高的精度。4種變換電路的效果如表1所示。

4 應(yīng)用實(shí)例

圖5為輸入電壓為85－265v，輸出為15v的反激式開(kāi)關(guān)電源實(shí)際電路。其采用圖4中（d）的反饋電路形式。

交流電壓經(jīng)整流橋v2整流和c2濾波后，產(chǎn)生的高壓直流電壓加至變壓器一端，變壓器另一端與top224的漏極相連。r9，c8和v3為緩沖吸收電路，用以吸收top224在關(guān)斷過(guò)程中由于變壓器漏感引起的電壓尖峰過(guò)沖。

偏置線圈經(jīng)v7和c2整流濾波后產(chǎn)生top224所需的偏置電壓；c6能夠?yàn)V除top224內(nèi)部mosfet柵極充電電流的峰值，確定重新啟動(dòng)的頻率，并與r1，r2一起補(bǔ)償控制回路。

tlp431并聯(lián)穩(wěn)壓器內(nèi)部包含2.5v帶隙基準(zhǔn)電壓、運(yùn)算放大器和驅(qū)動(dòng)器，作次級(jí)基準(zhǔn)誤差放大器用。調(diào)節(jié)rp1可對(duì)輸出電壓實(shí)現(xiàn)微調(diào)。當(dāng)輸出電壓受某種原因發(fā)生波動(dòng)時(shí)，通過(guò)tl431等器件組成的反饋電路，改變流過(guò)光耦pc817的發(fā)光二極管的電流，從而改變流入top224控制極的電流，調(diào)整top224內(nèi)部mosfet的輸出占空比，使輸出電壓重新穩(wěn)壓。

5 結(jié)語(yǔ)

采用topswitch ⅱ器件的開(kāi)關(guān)電源與采用分立的mosfet功率開(kāi)關(guān)及pwm集成控制器的開(kāi)關(guān)電源相比，具有以下特點(diǎn)：

（1）成本低廉

topswitch ⅱ采用cmos工藝制作，并在芯片中集成了盡可能多的功能，故與傳統(tǒng)的功率開(kāi)關(guān)電路相比，偏置電流顯著降低；開(kāi)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啟動(dòng)偏壓電流的電路均可除去，可大量減少元器件，使產(chǎn)品的成本和體積均大大減少；

（2）電源設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化

topswitch ⅱ器件集成了pwm控制器和高壓mosfet，只需外接一個(gè)電容就能實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償、旁路、啟動(dòng)和自動(dòng)重啟功能；

（3）功能完善的保護(hù)

topswitch ⅱ具有自動(dòng)重啟和逐周電流限制功能，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)；其還具有過(guò)熱保護(hù)和過(guò)流保護(hù)功能，可在電路過(guò)載時(shí)有效地保護(hù)電源。