第四代TOPSwitchGX系列單片開關(guān)電源

　　　第四代TOPSwitchGX系列單片開關(guān)電源

　　吳芳，黃聲華

　　(華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北武漢430074）

　　摘要：TOPSwitchGX是美國(guó)PowerIntegrations公司在繼TOPSwitchI、II、FX三個(gè)系列之后，開發(fā)的最新單片開關(guān)電源系列。該系列芯片通過改進(jìn)布局，擴(kuò)展了電源功率，增加了大量新功能，從而有效地提高了電源設(shè)計(jì)的靈活性及電源效率。介紹了新型TOPSwitchGX系列中TOP242250芯片的性能特點(diǎn)、工作原理。關(guān)鍵詞：TOPSwitchGX；單片開關(guān)電源；軟啟動(dòng)；高效率FourthGenerationTOPSwitchGXSeriesICPowerSupply

　　1引言

　　開關(guān)電源由于在體積、重量、效率和可靠性等多方面的優(yōu)勢(shì),目前在計(jì)算機(jī)、通信、家用電器、雷達(dá)、空間技術(shù)等眾多領(lǐng)域中已完全取代了傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源。美國(guó)PowerIntegrations公司在20世紀(jì)90年代推出的單片集成化開關(guān)電源TOPSwitchI、II、FX系列產(chǎn)品，為新型、高效、低成本開關(guān)電源的推廣與普及創(chuàng)造了良好條件，被譽(yù)為“頂級(jí)開關(guān)電源”。但是這些IC電源仍存在一些不足：紋波電壓較大、空載和輕載損耗大、高溫工作時(shí)輸出功率受限、啟動(dòng)時(shí)元件承受較大的尖峰電壓和電流以及設(shè)計(jì)不夠靈活等。針對(duì)這些不足之處，PowerIntegrations公司優(yōu)化了芯片的內(nèi)部布局，改進(jìn)了電路功能，于2001年新推出了TOPSwitch家族的第四代芯片:TOPSwitchGX系列。

　　TOPSwitchGX系列不僅繼承了早期的TOPSwitch將高壓功率MOSFET管、PWM控制、故障自動(dòng)保護(hù)及其它控制電路集成在一個(gè)CMOS芯片上的優(yōu)點(diǎn)，而且還增加了許多新功能，從而有效地降低了電源系統(tǒng)成本，提高了電源性能，改善了設(shè)計(jì)靈活性并擴(kuò)展了電源輸出功率。其中的TOP250型芯片是世界上功率最高的單片電源IC，其最大輸出功率可達(dá)290W，該芯片極大地?cái)U(kuò)展了開關(guān)電源芯片在大功率領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用范圍。

　　2新增功能介紹

　　TOPSwitchGX系列新增的主要功能及其優(yōu)點(diǎn)如下：

　　1）更寬的輸出功率范圍，最大可達(dá)290W;

　　2）可減少外圍器件的損耗;

　　3）在極低壓或過壓時(shí)能實(shí)現(xiàn)完全軟啟動(dòng)，進(jìn)一步減小了器件在啟動(dòng)時(shí)的電壓、電流應(yīng)力；

　　4）外部可編程精確地設(shè)定限制電流，減小了變壓器鐵芯體積，提高了電源效率;

　　5）更大的占空比，能提供更大的輸出功率并減小了輸入電容;

　　6）在Y、R、F型式封裝中將電壓檢測(cè)管腳與限流管腳分開封裝，提高了設(shè)計(jì)的靈活性;

　　7）欠壓保護(hù)，不會(huì)造成誤關(guān)斷;

　　8）有過壓保護(hù)，可以限制浪涌電流;

　　9）采用線電壓前饋,減小了低壓時(shí)的輸出電壓紋波，限制了高壓時(shí)的最大占空比（Dmax）;

　　10）有3％的頻率抖動(dòng)，減小了電磁干擾（EMI）,并降低了EMI濾波器的損耗;

　　11）空載、輕載時(shí)可降低工作頻率，使輸出電路無需加假負(fù)載，從而顯著地減少了能量損耗;

　　12）高達(dá)132kHz的工作頻率，減小了變壓器和電源的體積;

　　13）在視頻應(yīng)用時(shí)可選擇半頻（66kHz）運(yùn)行（只限于Y、R、F封裝）;

　　14）溫度范圍更寬的滯后熱關(guān)斷，允許電源在高溫下輸出更大的功率，并有效地防止裝置過熱。

　　TOPSwitchGX系列的這些優(yōu)點(diǎn)使其可廣泛地應(yīng)用于手提電腦、PDA、集線器、交換器、路由器、臺(tái)式電腦、小型服務(wù)器、機(jī)頂盒、數(shù)碼電視、打印機(jī)、DVD播放器、UPS、電視游戲機(jī)、音頻放大器等裝置中。

　　3管腳功能描述

　　TOPSwitchGX系列有TOP242—TOP250的9種不同容量型號(hào)，又分為Y、P、G、R、F等5種封裝形式。根據(jù)封裝形式不同，TOPSwitchGX系列芯片新增的管腳數(shù)也不同。P、G型封裝與第三代芯片TOPSwitchFX系列一樣只有D、S、C、M四個(gè)管腳，而Y、R、F型封裝則有六個(gè)管腳：D、S、C、F、X、L。圖1為Y/R/F型封裝芯片引腳及內(nèi)部功能方框圖。Y、R、F型封裝的管腳功能如下。

　　漏極管腳（D）高壓功率MOSFET漏極輸出。通過此腳從高壓開關(guān)電流源輸入內(nèi)部啟動(dòng)偏置電流。

　　控制管腳（C）用于調(diào)節(jié)占空比的誤差放大器與電流輸入腳。在正常操作期間通過連接至內(nèi)部分流調(diào)節(jié)器來提供內(nèi)部偏置電流，也可以作為電源的旁路和自動(dòng)重啟/補(bǔ)償電容的連接點(diǎn)。

　　源極管腳（S）將其連接至輸出MOSFET源極時(shí)可得到高壓功率回饋。

　　電壓檢測(cè)管腳（L）作為欠壓保護(hù)（UV）、過壓保護(hù)(OV)、減少Dmax的線性前饋及遠(yuǎn)程開/關(guān)等4項(xiàng)功能的控制腳。當(dāng)腳L與腳S短接時(shí)，各項(xiàng)功能均不起作用；當(dāng)L腳串聯(lián)電阻接至電源母線時(shí)，可實(shí)現(xiàn)UV、OV及隨母線電壓減少Dmax的3項(xiàng)功能；當(dāng)腳L通過電阻與腳C相連，并外接一級(jí)開關(guān)信號(hào)放大電路時(shí)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制開/關(guān)的作用。

　　外部限流管腳（X）用于外部電流限制值設(shè)置的輸入腳。當(dāng)串聯(lián)電阻接至地線時(shí)為外部可編程精確設(shè)定限流值，當(dāng)串電阻接至電源母線時(shí)可隨母線電壓調(diào)節(jié)限流值。

　　頻率管腳（F）用于選擇開關(guān)頻率的輸入腳。在多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合下將腳F連接至源極管腳S，此時(shí)開關(guān)頻率為132kHz。在一些特殊應(yīng)用場(chǎng)合如對(duì)噪音敏感的音頻設(shè)備中，將腳F連接至控制管腳C時(shí)開關(guān)頻率降為66kHz以減小干擾。

　　4典型應(yīng)用實(shí)例

　　4130W通用高效電源

　　圖2是一個(gè)30W高效通用電源電路。該電路利用TOPSwitchGX的某些特點(diǎn)降低了系統(tǒng)成本和減小了電源尺寸，并且改善了效率。實(shí)現(xiàn)了初、次級(jí)的完全隔離。電源性能指標(biāo)為：輸出電壓為12V，輸出功率為30W，輸出紋波不大于50mVpp，輸入電壓范圍為85～265V交流，環(huán)境溫度為50℃，滿載時(shí)可達(dá)到標(biāo)稱效率80％。

　　電路原理：電流限制通過外部電阻R1和R2被設(shè)定。隨著線性電壓的升高，電阻R1和R2分壓提供給X端的信號(hào)降低了電流限制。電阻R4提供了線性檢測(cè)，設(shè)置UV為DC100V和OV為DC450V。R5，C5提供環(huán)路補(bǔ)償。次級(jí)電壓通過D8,C10,C11整流、濾波，L3,C12開關(guān)噪聲濾波后輸出直流電壓。使用60V的肖特基整流器（D8）來提供15V的輸出電壓，從而大大提高了電源的效率。輸出電壓由齊納二極管（VR2）、光耦（U2）內(nèi)部二極管和電阻R6決定。在非線性、加載和元件參數(shù)變化時(shí)，電阻R8提供給齊納二極管VR2偏置電流，調(diào)節(jié)12V直流輸出電壓穩(wěn)定在5％內(nèi)。使用TOPSwitchGX可消除在進(jìn)行無負(fù)載調(diào)節(jié)時(shí)使用假負(fù)載，并可減少無負(fù)載和輕載下的電源損耗。

　　42微處理器（MPU）控制電源遠(yuǎn)程開/關(guān)

　　低成本瞬間觸點(diǎn)開關(guān)在一些應(yīng)用程序（如打印

　　圖230W高效通用電源電路圖

　　圖3運(yùn)用MPU遠(yuǎn)程控制電源的開/關(guān)電路圖

　　機(jī)）要求的微處理器控制下能用于開/關(guān)。TOPSwitchGX芯片內(nèi)置的遠(yuǎn)程開/關(guān)功能允許使用少量外部元件實(shí)現(xiàn)這一功能，具體電路如圖3所示。

　　電路原理：每當(dāng)用戶閉合按鈕瞬間觸點(diǎn)開關(guān)P1時(shí)，光耦U3被激活，把信號(hào)傳送給微處理器的邏輯輸入端。首先，當(dāng)電源斷開時(shí)(M端處于浮動(dòng)狀態(tài))，P1關(guān)閉，通過一只二極管短接TOPSwitchGX的M端和源極打開電源。當(dāng)次級(jí)輸出電壓VCC建立時(shí)，微處理器被激活并且確認(rèn)由光耦U3輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)開關(guān)狀態(tài)輸入，開關(guān)P1關(guān)閉。然后微處理器通過光耦U4發(fā)送電源控制信號(hào)使電源處于接通狀態(tài)。如果用戶再次按下開關(guān)P1，發(fā)出關(guān)斷命令，微處理器通過光耦U3檢測(cè)它并且啟動(dòng)產(chǎn)品專用的關(guān)程序。例如，在噴墨打印機(jī)中，關(guān)程序包括可以在存儲(chǔ)位置安全地停止打印頭。在有磁盤驅(qū)動(dòng)器的產(chǎn)品中，關(guān)程序包括保存數(shù)據(jù)和調(diào)整磁盤。在關(guān)程序完成后，安全地關(guān)掉電源時(shí)，微處理器通過斷開光耦U4釋放M端。如果手動(dòng)開關(guān)和光耦U3、U4不設(shè)置接到M端，當(dāng)M端開路時(shí)，電容CM可以防止噪聲耦合到這個(gè)端。

　　電源也能通過局域網(wǎng)或由光耦U4輸入LED邏輯信號(hào)到并行或串行口遠(yuǎn)程控制打開。有時(shí)通過一根電纜(如交流耦合電纜)替代直流邏輯電平發(fā)送一列邏輯脈沖作為提醒信號(hào)，是更容易的。因此，簡(jiǎn)單的RC濾波器用來產(chǎn)生一個(gè)直流電平去驅(qū)動(dòng)U4(在圖3中沒有顯示出來)。遠(yuǎn)程打開特點(diǎn)能用來提醒外圍設(shè)備，例如打印機(jī)、掃描儀、外部的調(diào)制解調(diào)器、磁盤驅(qū)動(dòng)器等。如果外圍設(shè)備在一個(gè)時(shí)段內(nèi)不保存功率，則通常被設(shè)計(jì)為自動(dòng)關(guān)斷狀態(tài)。 5結(jié)語(yǔ)

　　綜上所述，除了使用少量外圍元件之外，TOPSwitchGX在這類應(yīng)用中還提供了許多技術(shù)優(yōu)勢(shì)：如在關(guān)斷模式下功率消耗極小，低成本、低沖擊電壓/電流，使用瞬間觸點(diǎn)開關(guān)，瞬間開關(guān)無需防反跳電路，設(shè)計(jì)靈活等。采用TOPSwitchGX系列開關(guān)器件可以設(shè)計(jì)出各種高效率、多輸出端電源，廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。

　　TOPSwitchGX的一系列設(shè)計(jì)工具軟件及選型表可以從生產(chǎn)商PowerIntegrations公司網(wǎng)址：http://www/powerint.com下載，還可以從網(wǎng)上申請(qǐng)一套包括30W電源原型電路板、TOPSwitch－GX樣品和全套軟件的設(shè)計(jì)工具包。國(guó)內(nèi)總代理為香港科匯(亞太)有限公司