利用TOP Switch设计的开关电源

1　引言

　　TOP Switch（Three Terminal Off－line PWM Switch）是PI（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－Ⅱ（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 特点与优点

　　TOP Switch将MOSFET与整套PWM控制系统集成在一个单片集成器件内，内部包含了MOSFET、PWM发生器、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N－MOSFET输出管，该管具有导通电阻小、导通速度可以控制等特点，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/SMD－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）

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）三个功能引脚。其中，1～3脚的S内部相连，作为信号地，接旁路电容的负极。6～8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的漏极连接端。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TOP Switch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：

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MOSFET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。

[page]2.3 内部结构

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，PWM发生器和功率MOSFET开始工作。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PWM调制器，从而调节PWM信号的占空比。

　　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 Gate 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——利用MOSFET的漏－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MOSFET关断，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 Reset)－—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)—－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——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。
[page]3　利用TOP Switch组成的开关电源

　　如前所述，由于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。

　　该电源的交流输入电压范围为85～265Vac，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的占空比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（CCCS），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占空比是跟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

，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150V，嵌位时间为1ns，功耗不超过5W。它与反串的二极管VD1（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TOP Switch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。

[page]　　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电复位电压时，接在控制引脚上的电容将不能放电。

5　结 语

　　TOP Switch系列产品一问世便显示出了强大的生命力和发展前景，因为它们可以使得250W以下小功率开关电源的电路变得简单、设计简化、体积变小、成本降低、可靠性提高、功率密度增加、效率提高，因而广泛应用于仪器仪表、笔记本电脑、移动电话、摄录像机、手机电池充电器、功率放大器等各种小型设备之中。可以预计，随着工艺的发展，功率的提高，TOP Switch将会有更广泛的应用。


参考文献：

1.Rob Frizzell, Brooks Leman. Switch Mode Power Supply Adapters for Portable Applicacion. Power Integrations, Inc.

2.Mohamed Darwish, Role of Semiconductor Devices in Portable Electronics Power Management. Power Integrations Inc.

3.沙占友. 新型单片开关电源的设计与应用. 北京：电子工业出版社. 2001.6

4.李宏. 电力电子设备用器件与集成电路应用指南（第三册）.北京：机械工业出版社. 2001.9

5.PI公司网站：www.powerint.com

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