基于TOPSwitch的超寬輸入隔離式穩(wěn)壓開關(guān)電源

摘要：介紹了單片開關(guān)電源芯片TOPSwitch的結(jié)構(gòu)及工作原理，給出了超寬輸入隔離式穩(wěn)壓開關(guān)電源的完整應(yīng)用電路實例，并對設(shè)計和制作過程中的一些注意事項進(jìn)行了說明。

關(guān)鍵詞：隔離；寬輸入；開關(guān)電源

0??? 引言

??? 開關(guān)電源（Switching Power Supply）自問世以來，就以其穩(wěn)定、高效、節(jié)能等優(yōu)良性能而成為穩(wěn)壓電源的主要產(chǎn)品。而高度集成化的單片開關(guān)電源，更是因其高性價比、簡單的外圍電路、小體積與重量和無工頻變壓器隔離方式等優(yōu)勢而成為穩(wěn)壓電源中的佼佼者。隨著各種不同的單片開關(guān)電源芯片及其電路拓?fù)涞膽?yīng)用和推廣，單片開關(guān)電源越來越體現(xiàn)出巨大的實用價值和美好前景。但是，TOPSwitch通常允許的輸入電壓變化范圍為120～370V，本文嘗試用它制作更寬輸入電壓變化范圍（80～550V）的穩(wěn)壓電源。實驗結(jié)果證明是很成功的。

1??? 芯片結(jié)構(gòu)及穩(wěn)壓原理

??? 近十幾年來，美國電源集成公司（PI）、摩托羅拉公司（Motorola）、意－法半導(dǎo)體公司（SGS－Thomson）、美國Onsemi公司等相繼推出了TOPSwitch，MC，L4970，NCP1000等不同系列的單片開關(guān)電源產(chǎn)品。由于TOPSwitch系列產(chǎn)品性能穩(wěn)定，價格實惠，故本文選擇該系列中的一種芯片為核心設(shè)計制作了一種輸入范圍極寬的穩(wěn)壓電源。該電源輸入直流電壓范圍為80～550V，輸出直流電壓20V，輸出功率20W。

??? TOPSwitch不論是三腳封裝，還是DIP-8或SMB-8封裝，其實質(zhì)都是三端器件，分別為控制端C(Control)、源極S(Source)、漏極D(Drain)。控制端的主要作用是，根據(jù)其電流Ic來自動調(diào)節(jié)占空比，當(dāng)Ic變化時，占空比就在一定范圍內(nèi)變化。源極S與芯片內(nèi)部功率MOS管源極相連，并作為初級電路的公共地。漏極D與芯片內(nèi)部功率MOS管的漏極相連。

??? TOPSwitch主要包括控制電壓源、高壓電流源、關(guān)斷/自動重啟動電路、并聯(lián)調(diào)整器/誤差放大器、帶隙基準(zhǔn)電壓源、過熱保護(hù)及上電復(fù)位電路、過流保護(hù)電路、振蕩器、脈寬調(diào)制器、門驅(qū)動級和輸出級等10個部分。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1??? TOPSwitch內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

??? TOPSwitch的額定開關(guān)頻率為100kHz，允許工作范圍90～110kHz。

??? TOPSwitch的穩(wěn)壓原理是通過反饋電流（即控制端電流）Ic來自動調(diào)節(jié)占空比，從而實現(xiàn)穩(wěn)壓。例如，當(dāng)輸出電壓上升時，反饋電流隨之上升，占空比呈反向變化而下降，導(dǎo)致輸出電壓也隨之下降，從而保證輸出電壓的穩(wěn)定。反之亦然。

2??? 電路圖及工作原理

??? 由TOPSwitch構(gòu)成的單片開關(guān)電源如圖2所示，是典型的單端反激式開關(guān)電源。

圖2??? 由TOPSwitch構(gòu)成的20W穩(wěn)壓開關(guān)電源

??? 圖2中T為三繞組高頻變壓器，工作頻率為100kHz。3個繞組分別為：Np原邊繞組（65匝）；Ns副邊繞組（即輸出繞組，13匝）；Nf反饋繞組（8匝）；各繞組同名端在圖2中已標(biāo)出。變壓器中能量傳遞過程為：當(dāng)TOPSwitch中的功率MOSFET導(dǎo)通時，變壓器原邊繞組儲存能量；當(dāng)功率MOSFET關(guān)斷時，原邊繞組中儲存的能量傳遞給副邊繞組和反饋繞組，經(jīng)高頻整流濾波后即可提供直流輸出電壓和反饋電壓。

??? DZ1，D1和R1，C2組成了漏極箝位電路和能量吸收回路，用以限制TOPSwitch漏極因高頻變壓器的漏感而可能產(chǎn)生的尖峰電壓。DZ1選用P6KE200A型瞬態(tài)電壓抑制器（TVS），其反向擊穿電壓為200V。D1選用MUR160型超快恢復(fù)二極管，其最大反向耐壓值為600V。由于TOPSwitch的漏—源極最小擊穿電壓為700V，而當(dāng)其功率MOSFET關(guān)斷時，變壓器原邊的直流輸入電壓、原邊繞組的感應(yīng)電壓以及由變壓器的漏感而產(chǎn)生的尖峰電壓，三者疊加在一起，其值可能超過700V，故必須在TOPSwitch的漏極增加箝位電路和吸收電路，用以保護(hù)功率MOSFET不被損壞。

??? C3為TOPSwitch控制端的旁路電容，其作用是對控制電路進(jìn)行補(bǔ)償，并能設(shè)定自動重啟動頻率。電路中所選參數(shù)值已將自動重啟動頻率設(shè)定為1.2Hz。

??? D2及D3為高頻輸出整流二極管，其中D2為MUR420型超快恢復(fù)二極管，其最大反向工作電壓為200V，額定整流電流為4A；D3為1N4148型玻封高速開關(guān)二極管，其最大反向工作電壓75V，平均整流電流150mA。

??? L1為濾波電感，其值約為20μH，是由非晶合金磁性材料制成的穿心電感，俗稱“磁珠”。其作用是濾除D2在反向恢復(fù)過程中產(chǎn)生的開關(guān)噪聲。

??? DZ2及DZ3為穩(wěn)壓管，型號為2CW346。IC2為線性光耦合器，型號為PC817A，其內(nèi)部發(fā)光二極管的導(dǎo)通壓降約為1V，正常工作電流If約為1～5mA，其直流電流傳輸比為80％～160％。

??? 輸出電壓由兩只穩(wěn)壓管電壓、PC817A中發(fā)光二極管的導(dǎo)通壓降以及電阻R4上壓降三者之和而確定，故改變R4的大小，就能改變（精確調(diào)節(jié)）輸出電壓的設(shè)定值，同時也能改變控制電路的增益，即改變控制電路的放大倍數(shù)。對于不同的輸出電壓要求，只須改變穩(wěn)壓管和限流電阻R4的大小即可。如前所述，輸出電壓Vo的穩(wěn)壓過程為：Vo↑（↓）→VR4↑（↓）→If↑（↓）→Ic↑（↓）→占空比↓（↑）→Vo↓（↑）。

3??? 實驗結(jié)果

??? 該穩(wěn)壓電源的實驗波形如圖3～圖8所示。當(dāng)輸入如圖3所示，為Vi=80V時，輸出電壓vo如圖4所示（平均值Vo=19.8V），此時TOPSwitch的漏源電壓vDS波形如圖5所示。當(dāng)輸入電壓如圖6所示，Vi=550V時，輸出電壓vo如圖7所示（平均值Vo=20.3V），此時TOPSwitch的漏源電壓vDS波形如圖8所示。實驗數(shù)據(jù)如表1所列。為了說明限流電阻R4對輸出的影響，現(xiàn)將不同的R4值所對應(yīng)的輸出電壓列在表2中。

圖3??? Vi波形（Vi=80V，100V/格）

圖4??? vo波形（Vo=19.8V，5V/格）

圖5??? vDS波形（Vi=80V，50V/格）

圖6??? Vi波形（Vi=550V，200V/格）

圖7??? vo波形(Vo=20.3V，10V/格)

圖8??? vDS波形（Vi=550V，200V/格）

表1??? 輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系表（R4=400Ω，Po=20W）

表2??? 輸出電壓與電阻R4的關(guān)系表（Vi=200V，Po=20W）

??? 從表1中可以看出，該穩(wěn)壓電源雖然輸入范圍很寬，但其輸出電壓的穩(wěn)定性卻是相當(dāng)高的，這對于某些特殊的應(yīng)用場合還是很有價值的。

??? 在實際設(shè)計、使用該電源時，須注意如下事項：

??? 1）若輸入為交流，則在變壓器輸入側(cè)增加相應(yīng)的整流、濾波環(huán)節(jié)。若無濾波環(huán)節(jié)或濾波效果太差，都將導(dǎo)致電源無法正常工作；

??? 2）繞制高頻變壓器時，應(yīng)將原邊繞組繞在最里層，反饋繞組居中，副邊繞組在最外邊，各繞組應(yīng)均勻分布，同時繞組之間應(yīng)采用絕緣膠帶進(jìn)行絕緣；

??? 3）焊接TOPSwitch時，應(yīng)使其引腳盡可能地短；

??? 4）TOPSwitch和MUR420須加散熱器。

4??? 結(jié)語

??? 本文所介紹的寬范圍輸入的穩(wěn)壓電源，結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，制作成本低廉，而且產(chǎn)品體積小，重量輕，因此，具有很大的實用價值，也代表了未來電源的發(fā)展方向。