利用TOPSwitch设计的开关电源剖析

1、利用TOP Switch设计的开关电源TOP Switch （Three Terminal Off line PWM Switch ）是 PI P Power Integration ）公司 最先研制成功的三端隔离式脉宽调制单片开关电源集成电路，其第一代产品以1994年问世的TOP100/200系列为代表，第二代则是1997年推出的TOP-n （221-227）系列，而新推出的TOP-GX系列（24X）,除了功率继续有所增大之外，更是在前两代产品的基础上增加了不少功能，故可以看作第三代产品。本文以其第一、二代产品为例，介绍其特点、原理及应 用。2 TOP Switch集成芯片介绍2.1 特点与

2、优点TOP Switch将MOSFETf整套PWMS制系统集成在一个单片集成器件内，内部包含了 MOSFETPWMt生器、驱动电路、自动偏置电路、保护电路、高压启动电路和环路补偿电路 等。由于它已经将电路各个功能部分都集成在片子内部，所以与常规的分立元件组成的电路相 比，它有着以下明显优势。1）电路结构简单，效率高。它只有三个输出控制端，利用简单的外围器件就可以完成一个开关电源的控制功能，使电路结构得以简化，体积减小，提高可靠性。并且把驱动和开关器件集成在一个片子内部，有利于提高效率和功率密度。2）TOP Switch内部有一个高压小容量的Nl- MOSFE输出管，该管具有导通电阻小、导通速度

3、可以控制等特点，因而可以减小开关电压变化率，进而减小EMI。3）片子内部集成了脉冲前沿中断检测电路、输入欠压封锁电路、 输出过压保护电路、 关机自动恢复工作电路等保护电路，可以避免因各种故障引起的不良后果。2.2 外部封装和引脚功能前两代产品都采用图 1所示的TO- 220或DIP/SMA 8的封装形式。其中，后者可以根据引脚功能而简接成同 TO- 220封装一样的3个引脚的形式，即只有 D （漏极）、S （源极）和C （控制极）TO-220(b)DiP/5MD-J明1TCFSwikh的翻装用式简接成同TJ 220封装一样的3个引脚的形式，即只有 D （漏极）、S （源极）和C （控制极）三个

4、功能引脚。其中，13脚的S内部相连，作为信号地，接旁路电容的负极。68脚的S在片子内部也是相连的，是高压返回端（ HV RTN,即功率地。在布置电路时，应该将他 们安排在地线区域的不通位置上，这样可以避免主电路的大电流流过功率地线时对控制端产 生影响。漏极引脚（Drain ）:该引脚是输出 MOSFET勺漏极连接端。漏源击穿。开关电源开始工作时，它通过内部开关型高压电流源提供偏置电流。该引脚也是TOPSwitch内部电流检测点，使用中，接功率变压器原边绕组的一端，绕组的另一端接主电路整流器输 出的正极。控制引脚（Control ）:反馈电流和误差放大器的输入信号从该引脚输入，从而可以实现占空比

5、调节。控制电流 Ic的大小与占空比 D成反比。当Ic从6.0mA减小到2.0mA时，D就从1.7 %增至67%,比例数即为脉宽调制增益：1 7% - 67 %在正常使用中，C接到输出反馈。控制电压 Vc的典型值为5.7V,极限值Vcm= 7.0V,控制端最大允许电流 Icm= 100mA源极引脚（Source）:输出MOSFE的源极连接端。开关电源一次主电路的公共接地点和基准点。使用中，接主电路整流电源的负极。2.3 内部结构垠息”打日种巾魅比x卜图2 TOP Switch内部图框TOP Switch的内部框图如图2所示，它主要包括 10个部分：控制电压源（Vc）控制电压 Vc可以向并联调整器

6、和门驱动级提供偏压，而控制端电流Ic则能调节占空比。电路刚上电启动时，高压电流源通过开关S提供控制端电流Ic,以便给控制电路供电，并对Cr充电。当Vc首次充电达到5.7V时，S关断，高压直流源被断开，PWMt生器和功率MOSFETF始工作。此后，Ic由反馈电路供电。带隙基准电压源给内部提供各种基准电压，同时还可产生一个具有温度补偿并可调整的电流源，来精确设定振荡器的频率和门驱动电流。振荡器 ( Oscillator ) 产生锯齿波( SAW) 、 最大占空比信号( Dmax) 和时钟信( CLOCK) 。振荡频率内部已设定为100kHz,这有利于减小 EMI和提高电源效率。并联调整器/ 误差放

7、大器(Shunt Regulator/Error Amplifier) 并联调整器的作用是当加到C端的反馈电流超过所需要的电流值时，就通过并联调整器就行分流，以确保Vc=5.7V (典型值)。误差放大器将反馈电压与5.7V的基准电压进行比较，控制输出误差电流Ifb ,当Ifb流过电阻Re之后，形成一个误差电压送到PW硼制器，从而调节PWMt号的占空比。脉宽调制器(PWM Comparator) 通过改变控制端电流IC 的大小，可连续调节脉冲占空比，实现脉宽调制。同时，它正输入端的R、C组成截止频率为 7kHz低通滤波器能虑掉开关噪声电压。门极驱动级和输出级(Control Turn-on Ga

8、te Driver)用于驱动 N沟道MOSFET使其按照内部设定的开关频率工作。过流保护电路一一利用MOSFET勺漏源通态电阻 Rds.on来检测过流信号。片子内部将Rds.on 上产生的压降Vds.on 与一个参考电压Vlimit 作比较。 当 Id 过大时， Vds.on 也随之上升。如果Vds.on>Vlimit ,过流比较器将会翻转，进而发出信号使MOSFETS,起到过流保护作用。片子在设计时，还对 Vlimit 进行了温度补偿，以消除因Rds.on 随温度变化而引起的Vds.on 的波动。过热保护及上电复位电路(Thermal Shutdown & Power-up R

9、eset) 过当片子的结温达到 135时，过热保护电路就输出高电平，将RS触发器的Q端置“1”，进而关断输出级。关断 /自动重启电路(Shutdown/Auto-restart) 过当调节失效时， 立即使片子在5的低占空比下工作，同时切断从外部流入控制端的电流Ic 。如果故障已经排除，就自动重启动，回复到正常工作状态。自动重启的频率为1.2Hz (当Cr为47uF时)。高压直流源过过在启动或是滞后调节模式下， 该电流源通过电子开关S 给内部电路提供偏置电流，并且对 Cr进行充电以启动电路。电源正常工作时开关S改接内部电源，高压直流源被旁路掉。3利用TOP Switch组成的开关电源如前所述，由

10、于 TOP Switch已经将很多功能集成在片子内部，所以很容易利用它组成各种小功率的功率变换电路，如 Flyback, Forward, Boost, Buck等等。下面以图 3所示的 7.5V、15W开关稳压电源为例来说明TOP Switch在开关电源中的典型应用。 i 7. JVJJiW 前庭情年该电源的交流输入电压范围为85265Vac,经EMI滤波、整流、C2滤波之后，得到直流电压。变压器一、二次绕组的变比可以设定输出电压大小。电路刚上电时，TOP内部高压电流源直接提供控制极电流Ic,使得片子启动，电路开始工作。电路正常工作后，Ic将由反馈网络提供，同时通过调节内部 PWM 勺占空比

11、实现对输出电压的自动调节。反馈网络由偏置绕组 Ns、VD3 (IN4148)、电容 C4> R1、光耦 IC2 (NEC2501-H 和稳压管 VD22 ( N5995B) 组成。Ns端电压经过 VD3整流和C4滤波后，得到一个偏置电压。稳压管VD22 (N5995B)、电阻R1和光耦IC2 (NEC2501-H则可通过控制光耦初级发光管的电流If实现对输出电压的调整。其中R1是VD22的限流电阻，同时又可以决定控制环路的增益。根据光耦特性，可 以把光耦看作一个电流控制电流源(CCC$,次级电流Ic受初级电流If控制，且在一定的范围内，两者是成正比的，即。所以，如果输出电压有波动，必然会

12、引起 If的同方向变化，于是引起Ic的变化使得PWM占空比往反方向变动，从而将输出电压稳定下来。比如，若是输出电压偏低了，经过稳压管的作用，反馈网络的原边电流If必将降低，因而Ic也会降低。由于 PWM&空比是跟Ic反方向变化的，所以占空比就会增加，从而使得输出电压升高，保持了输出电压的稳定。电路中除整流桥之外，所使用的二极管都是快恢复的，反向恢复£ 300w,以适应100KHz的开关频率。C5 (47uF)是控制端旁路电容，可以对控制环路进行补偿， 同时还决定着自动重启动的频率。并在变压器原边的VDZ1 (P6KE150)是顺态电压抑制器( TVS) ， 其嵌位电压为150

13、V， 嵌位时间为1ns， 功耗不超过5W。 它与反串的二极管VD( 1 UF4005)一起组成漏极嵌位电路，一方面可以将高频变压器漏感产生的瞬时电压嵌位在安全电压以下，同时可以作为变压器消磁回路，防止饱和。输出端接R2 作为电源的假负载，可以在电路轻载或空载时依然保证良好的输出电压和调整特性，避免电压漂移。输出LC 滤波器可以显著地减少开关频率的输出纹波和高频噪声，但是也可能会因为L、C的附加相移使电路不稳定。 因此本电路中反馈网络的光藕连接到L1 与整流器间，以避免附加相移引起不良后果。4 应用中需要注意的问题1)布线时，S 引脚的引线应该非常短，旁路电容应尽可能靠近S 和 C 引脚，同时，S脚应单点接地，以避免主电路的工作电流对控制信号造成干扰。2)在某些条件下，从外部给控制引脚加入电压或电流，能够使TOPSwitch 永远保持在8 个自动回复周期中的某一个周期内，并且能够防止开关电源自动重启动。3)在自动恢复工作过程中，当输入电压低于20V时，控制引脚电流很小，这样会增加自动恢复循环的周期。所以，应避免输入电压过低。4)交流输入电源短时中断后，开关电源再次工作前，片子进入自动恢复过程。这是因为电容器中存储的能量没有立即释放完，并且当控制引脚电压低于内部上