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單片開關電源具有單片集成化、最簡外圍電路、最佳性能指標、能構成無工頻變壓器開關電源等顯著優點。TO PSwitch器件是美國功率集成公司(POWER Integrations)于20世紀90年代中期推出的新型高頻開關電源芯片。它是三端脫線式PWM開關(Three-terminal Offline PWM Swtich)的英文縮寫， 其第一代產品以1994年推出的TOP100/200系列為代表， 第二代產品則是1997年問世的TOPSwitch-Ⅱ。上述產品一經問世便顯示出強大的生命力，它極大地簡化150W以下開關電源的設計，使電路大為簡化，體積進一步縮小，成本也明顯降低。 1 TOPSwitch產品分類 TOPSwitch包括TOP100系列(TOP100Y～TOP104Y)、TOP200系列(TOP200Y～TOP202Y，TOP214Y)、TO P209/210 系列、TOPSwitch- Ⅱ系列( TOP221～TOP227)。TOPSwitch - Ⅱ是TOP-Sw itch 的改進型號，它將單電壓輸入時的最大功率100W提高到150W，電磁兼容性也得到增強，具有更高的性能價格比，現已成為國際上開發中、小功率開關電源模塊的優選集成電路。TOPSwitch- Ⅱ所包括的幾個型號之間的區別在于輸出功率的不同，其產品分類見表1。 2 TOPSwitch結構 TOPSw itch 有三種封裝形式，其中，TOP221Y～TOP227Y采用TO-220封裝，有3個引腳； TOP221P/G～TOP224P/G采用DIP-8封裝及SMD-8封裝，有8個引腳，但8只管腳中有6只管腳實際是連在一起作為S端，故可簡化成3只管腳，這樣它仍系三端器件。3個引出端分別是漏極端D、源極端S和控制端C。其中，D是內裝MOSFET的漏極，也是內部電流的檢測點，啟動操作時，漏極端由一個內部電流源提供內部偏置電流。控制端C控制輸出占空比，是誤差放大器和反饋電流的輸入端。在正常操作時，內部的旁路調整端提供內部偏置電流，且能在輸入異常時自動鎖定保護。源極端S是MOSFET的源極，同時是TOP開關及開關電源初級電路的公共接地點及基準點。 表1 TOPSwitch-Ⅱ的產品分類及最大輸出功率 3 TOPSwitch 性能特點 3.1 安全性高 將脈寬調制(PWM)控制系統的全部功能集成到三端芯片中，內含脈寬調制器、功率開關場效應管(MOSFET )、自動偏置電路、保護電路、高壓啟動電路和環路補償電路，通過高頻變壓器使輸出端與電網完全隔離，真正實現了無工頻變壓器、隔離式開關電源的單片集成化，使用安全可靠。 3.2 系統效率高 TOPSwitch 系采用CMOS工藝制作，并在芯片中集成了盡可能多的功能，故與采用二極管或分立的功率開關電路相比，偏置電流顯著降低。開關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偏壓電流的電路均可除去，系統效率大大提高。特別是TOPSwitch 器件專門針對反激式功率變換電路進行了優化，使占空比最大值可達70%， TOP100Y～TOP104Y 和TOP200Y～TOP202Y/TOP214Y 的效率可達90%，TOP209/TOP210的效率也可超過80%。 3.3 設計簡化 TOPSwitch 器件在3腳的TO -220封裝中集成了PWM控制器和高壓MOSFET功率開關，只需外接一個電容就能實現補償、旁路、啟動和自動重啟功能。另外，美國功率集成公司還為TOPSwitch器件提供了許多標準設計的電路板，使應用TOPSwitch的設計更為方便，極大地縮短了產品開發至進入市場所需的時間。 3.4 應用靈活性高 TOPSwitch器件支持降壓型、升壓型、正激式和反激式功率變換電路，并且很容易和光耦及變壓器初級的反饋電路結合，無論在連續傳導模式和不連續傳導模式下均可工作；輸入交流電壓和頻率的范圍極寬，作固定電壓輸入時可選110V/115V/230V交流電，允許變化±15%; 在寬電壓范圍輸入時，適配85V～265V交流電，但最大輸出功率比前者降低40%。 3.5 功能完善的系統級故障保護 TOPSwitch具有自動重啟和逐周電流限制功能，故可對功率變壓器初級和次級電路的故障進行保護。TOPSwitch還具有在片熱關閉選通功能，可在電路超負荷時有效地保護電源。 3.6 外圍電路簡單且成本低廉 使用TOPSwitch器件，可減少20個～50個元器件，使產品的大小和重量減少50%；TOPSwitch因采用了源極調節板和可控的MOSFET 通態驅動，故電磁干擾(EMI)和EMI濾波器的成本可明顯降低。 3.7 以最簡方式構成反激式開關電源 TOPSwitch-Ⅱ只有3個引出端，可以同三端線性集成穩壓器相媲美，能以最簡方式構成無工頻變壓器的反激式普通型或精密型開關電源。開關頻率的典型值為100kHz，允許范圍90kHz～110kHz，占空比調節范圍是1.7%～67%。 4 TOPSwitch 工作原理 TOP包括10部分，其中Zc為控制端的動態阻抗，RE是誤差電壓檢測電阻。RA與CA構成截止頻率為7kHz的低通濾波器。 4.1 控制電壓源 控制電壓Uc能向并聯調整器和門驅動級提供偏置電壓，而控制端電流Ic則能調節占空比。Uc有兩種工作模式，一種是滯后調節，用于啟動和過載兩種情況，具有延遲控制作用； 另一種是并聯調節，用于分離誤差信號與控制電路的高壓電流源。剛啟動電路時由D-C極之間的高壓電流源提供控制端電流Ic。 4.2 帶隙基準電壓源 帶隙基準電壓源除向內部提供各種基準電壓之外，還產生一個具有溫度補償并可調整的電流源，以保證精確設定振蕩器頻率和門極驅動電流。 4.3 振蕩器 內部振蕩電容是在設定的上、下閾值UH、UL之間周期性地線性充放電，以產生脈寬調制器所需要的鋸齒波(SAW) ，與此同時還產生最大占空比信號(Dmax) 和時鐘信號(CLOCK)。為減小電磁干擾，提高電源效率，振蕩頻率(即開關頻率)設計為100kHz，脈沖波形的占空比設定為P。 4.4 放大器 誤差放大器的增益由控制端的動態阻抗Zc來設定。Zc的變化范圍是10Ω～20Ω，典型值為15Ω。誤差放大器將反饋電壓UF與5.7V基準電壓進行比較后，輸出誤差電流Ir，在RE上形成誤差電壓UR。 4.5 脈寬調制器(PWM) 脈寬調制器是一個電壓反饋式控制電路，它具有兩層含義：①改變控制端電流Ic的大小，即可調節占空比P，實現脈寬調制；②誤差電壓UR經由RA、CA組成截止頻率為7kHz 的低通濾波器，濾掉開關噪聲電壓之后，加至PWM比較器的同相輸入端，再與鋸齒波電壓UJ進行比較，產生脈寬調制信號UB。 4.6 門驅動級 門驅動級(F)用于驅動功率開關管(MOSFET) ，使之按一定速率導通，從而將共模電磁干擾減至最小。漏源導通電阻與產品型號和芯片結溫有關。 4.7 過流保護電路 過流比較器的反相輸入端接閾值電壓ULIM IT，同相輸入端接MOSFET管的漏極。此外，芯片還具有初始輸入電流限制功能。剛通電時可將整流后的直流限制在0.6A 或0.75A。 4.8 過熱保護電路 當芯片結溫TJ>135℃時， 過熱保護電路就輸出高電平， 將觸發器Ⅱ置位， 使Q=1， 關斷輸出級。此時進入滯后調節模式， Uc端波形也變成幅度為4.7V～5.7V 的鋸齒波。若要重新啟動電路，需斷電后再接通電源開關；或者將控制端電壓降至3.3V 以下，達到Uc( reset) 值，再利用上電復位電路將觸發器Ⅱ置零，使MOSFET 恢復正常工作。 4.9 關斷/自動重啟動電路 一旦調節失控，關斷/自動重啟動電路立即使芯片在5%占空比下工作，同時切斷從外部流入C端的電流，Uc再次進入滯后調節模式。倘若故障已排除，Uc又回到并聯調節模式，自動重新啟動電源恢復正常工作。自動重啟動的頻率為1.2Hz。 4.10 高壓電流源 在啟動或滯后調節模式下，高壓電流源經過電子開關S1給內部電路提供偏置，并且對Ct 進行充電。電源正常工作時S1改接內部電源，將高壓電流源關斷。當TOP開關啟動操作時，在控制端環路振蕩電路的控制下，漏極端有電流流入芯片，提供開環輸入。該輸入通過旁路調整器、誤差放大器時，由控制端進行閉環調整，改變Ir，經由PWM控制MOSFET的輸出占空比，最后達到動態平衡。 5 單片開關電源的典型應用 TOP221Y單片開關電源，它是由TOP221Y構成的+ 5V開關電源。 5.1 TOP221Y主要性能參數 (1) TOP221Y是寬電壓范圍的單片開關電源模塊，可通過外接少量外圍元件組成功率在15W以下的高效率電源。 (2) 為提高輸出電壓的穩壓精度，電壓采樣電路使用了高精度可調穩壓管TL431，并通過光電耦合將負反饋電壓回饋至TOP221Y 的控制端。 (3) 通過合理的印刷板設計，可使電路工作穩定可靠， 電磁輻射降至最小， 也可有效地抗外部電磁干擾， 具有較好的電磁兼容性能。 (4) 輸出直流電路采用了LC濾波電路，有效消除次級電路中的高頻干擾信號。 (5) 交流輸入電壓范圍: 85V～265V (47Hz～440Hz)。 (6) 直流輸出: 5V/0.8A ，紋波小于50mV。 (7) 該電源具有約1% 的電壓調整率和負載調整率，整機效率可達70%以上。 (8) 工作溫度范圍: 0～75℃。 5.2 電路工作原理 交流電AC(范圍為120V～265V) 由兩個AC接點輸入，經C1和L1組成的EMI濾波器抑制電磁噪聲，進入整流電路。由于TOP221Y具有頻率抖動特性，可有效抑制噪聲干擾，因而在小功率開關電源中，只需簡單的EMI 濾波器，并采用合理的接地技術，即可符合有關電磁兼容性要求。BR1為整流電路，這里選用快恢復特性的整流橋2KPB06M，整流后的脈動直流電經C2濾波，提供給TOP221Y開關調制電路。高頻變壓器的次級繞組有兩個，一個是主繞組，它提供電源的主能量，高頻電壓經快速二極管SB540整流后由濾波電容C4、C5濾波， 再經L2組成低通濾波器向負載輸出。L2主要是抑制高頻噪聲向負載輸出，以防止負載受其干擾。輸出端的電解電容C8是為了降低輸出的交流紋波系數而加的，它主要是降低輸出直流電壓的交流紋波。 另一個次級繞組組成反饋電壓繞組，由二極管整流后加在光敏管兩端，輸出的反饋電壓加在光耦的二極管正極上，電阻R5和穩壓管U1組成基準電壓源，為光耦提供基準電壓，這樣光耦中的二極管的發光強度是由輸出電壓控制的，經光耦耦合到TOP221Y的控制端，從而實現脈寬的可控，達到穩壓目的。電阻R6和C7是控制環路的補償元件。 該電源的輸入電壓范圍可達85V～265V AC，輸出電壓為5V DC，可提供0.8A的電流輸出。負載調整率為±1% ，電源效率約為70%，輸出紋波電壓小于50mV。電路使用了最簡的設計， 作為一些掌上型電器的適配電源， 完全可以滿足要求。 6 結束語 由于TOP 芯片內部完全集成了SMS的全部功能，所以利用它設計開關電源周期短、成本低。隨著TOP 開關系列的不斷發展與改進，其在開關電源及其它應用領域中必將有著更加燦爛的前景。 |
