TOPSwitch單片開關電源的原理與應用

[編者按]慮及當前電源技術的發展，單片型開關電源已開始流行，并且具有強大的生命力，為此我們特邀國內著名科技圖書作者沙占友教授等撰寫這篇講座稿，計劃連載5期，以饗讀者。本文也是本刊今年第6期P.271《集成穩壓器的應用技術》講座的繼續。

(單片開關電源技術講座之一)

河北科技大學沙占友張英黃麗敏（石家莊050054）

摘要：三端單片開關電源是目前國際90年代才開始流行的新型開關電源芯片。本文闡述其性能特點、工作原理及兩種典型應用電路。

關鍵詞：單片開關電源脈寬調制誤差放大器光耦反饋

The Principle and Application of TOPSwitch

Single? chip Switching Power Supply Abctract:Three? ends single? chip switching power suply is a new type switching power supply core which has been popular since 1990. This paper introduces properties and principle of the core as well as two types of applicational circuit.

Keywords: Single? chip switching power supply,PWM,Error amplifler,Optical courling, Feedback

中圖法分類號：TM94文獻標識碼：A文章標號：0219?2713(2000)08?424?04

　　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。美國動力（Power）公司在世界上率先研制成功的三端隔離式脈寬調制單片開關電源集成電路，被譽為“頂級開關電源”。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，它極大地簡化了150W以下開關電源的設計和新產品的開發工作，也為新型、高效、低成本開關電源的推廣與普及創造了良好條件，可廣泛用于儀器儀表、筆記本電腦、移動電話、電視機、VCD和DVD、攝錄像機、手機電池充電器、功率放大器等領域，并能構成各種小型化、高密度、在價格上能與線性穩壓電源相競爭的AC／DC電源變換模塊。

1產品分類及性能特點

1.1產品分類

TOPSwitch包括TOP100系列（TOP100Y～TOP104Y），TOP200系列（TOP200Y～TOP202Y，TOP214Y），TOP209／210系列，TOPSwitch－Ⅱ系列（TOP221～TOP227）。TOPSwitch－Ⅱ與第一代產品相比，它不僅在性能上進一步改進，而且輸出功率得到顯著提高，現已成為國際上開發中、小功率開關電源及電源模塊的優選集成電路，其產品分類見表1。

表1TOPSwitch－Ⅱ的產品分類及最大輸出功率POM單位：W

1.2性能特點

⑴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

圖1TOPSwitch的管腳排列
（a）TO－220封裝（b）DIP－8封裝和SMD－8封裝

圖2TOPSwitch－Ⅱ的內部結構

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。

⑵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POM值要比前者降低40％。

⑶TOPSwitch－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，允許范圍是90kHz～110kHz，占空比調節范圍是1.7％～67％。

⑷外圍電路簡單，成本低廉。芯片本身功耗很低，電源效率可達80％左右。

2TOPSwitch的工作原理

TOPSwitch的管腳排列如圖1所示。它有三種封裝形式。其中，TO－220封裝有3個引腳。

DIP－8封裝及SMD－8封裝各有8個引腳，但均可簡化成3個。這3個管腳分別為控制端C，源極S，漏極D。控制端有4個作用：

　　?利用控制電流IC的大小來調節占空比D；

　　?為芯片提供正常工作所需的偏流；

?決定自動重啟動的頻率；

?對控制回路進行補償。

TOPSwitch－Ⅱ的內部框圖如圖2所示。主要包括10部分：

　　?控制電壓源（由控制電壓UC向并聯調整器和門驅動級提供偏壓，而控制端電流IC則能調節占空比）；

　　?帶隙基準電壓源（給內部提供各種基準電壓）；

　　?振蕩器（產生鋸齒波（SAW）、最大占空比信號（Dmax）和時鐘信號（CLOCK））；

　　?并聯調整器／誤差放大器；

　　?脈寬調制器（通過改變控制端電流IC的大小，連續調節脈沖占空比，實現脈寬調制并能濾掉開關噪聲電壓）；

　　?門驅動級和輸出級（內含耐壓為700V的功率開關管MOSFET）；

　　?過流保護電路（利用MOSFET的漏－源通態電阻RDS（ON）來檢測過電流，當ID過大時令MOSFET關斷，起到過流保護作用）；

　　?過熱保護及上電復位電路（當芯片結溫Tj>135℃，關斷輸出級）；

　　?關斷／自動重啟動電路（當調節失控時，立即使芯片在低占空比下工作。倘若故障已排除，就自動重新啟動電源恢復正常工作）；

　　?高壓電流源（提供偏流用）。

　　TOPSwitch－Ⅱ的工作原理是利用反饋電流IC來調節占空比D，達到穩壓目的。舉例說明，當輸出電壓UO↑時，經過光耦反饋電路使得IC↑→D↓→UO↓,最終使UO不變。

3單片開關電源的典型應用

3.1由TOP202Y構成的7.5V，15W開關電源

7.5V，15W開關電源電路如圖3所示。其交流輸入電壓范圍Ui=85V～265V,AC，輸入電網頻率f=47Hz～440Hz，電壓調整率SV=±0.5％,負載調整率SI=±1％，電源效率達80％，輸出紋波電壓的最大值為±50mV。該電源采用帶穩壓管（VDZ2）的光耦反饋工作方式。電路中共使用兩片集成電路，IC1為TOP202Y型單片開關電源，IC2是日本產NEC2501－H型線性光耦合器。FU為3A/250V保險管。C6與L2構成交流輸入端的電磁干擾（EMI）濾波器。C6能濾除由初級脈動電流產生的串模干擾，L2可抑制初級繞組中產生的共模干擾。C7和C8為安全電容，能濾除由初、次級繞組之間耦合電容所產生的共模干擾。寬范圍電壓輸入時，85V～265V交流電經過整流器BR、C1整流濾波后，獲得直流輸入電壓Ui。由VDZ1和VD1構成的漏極鉗位保護電路可將由高頻變壓器漏感產生的尖峰電壓鉗位到安全值以下，并能減小振鈴電壓。VDZ1選用P6KE150型瞬態電壓抑制器（TVS），其鉗位電壓為150V，鉗位時間僅1ns，峰值功率是5W。VD1需采用UF4005型1A/600V的超快恢復二極管（FRD），其反向恢復時間trr=30ns。

次級電壓經VD2，C2，L1，C3整流濾波后產生＋7.5V的輸出電壓。R2和VDZ2與輸出端并聯，構成開關電源的假負載，可提高空載或輕載時的負載調整率，反饋繞組電壓經過VD3整流、C4濾波后，得到反饋電壓，再經過光敏三極管給TOP202Y提供一個偏置電壓。VD2選擇UGB8BT型超快恢復二極管，為降低功耗，

圖37.5V，15W開關電源的電路

圖415V，30W精密開關電源的電路

還可選肖特基二極管。光耦合器IC2和穩壓管VDZ2還構成了TOP202Y的外部誤差放大器，能提高穩壓性能。當輸出電壓UO發生變化時，由于VDZ2具有穩壓作用，就使光耦中LED的工作電流IF發生變化，進而改變TOP202Y的控制端電流IC，再通過調節輸出占空比，使UO保持穩定，這就是其穩壓原理。R1為LED的限流電阻，并能決定控制環路的增益。C5是控制端旁路電容，除對環路進行補償之外，還決定著自動重啟動頻率。高頻變壓器選用EE22型鐵氧體磁芯，圖3中的NP，NS和NB分別代表初級、次級、反饋繞組的匝數。初級電感量LP=620μH±10％，漏感量LP0≤11μH。

3.2由TOP224Y構成的15V，30W精密開關電源

其電路如圖4所示。與圖3相比，它在電路上主要作了兩處重要改進：第一，為獲得30W的連續輸出功率，將TOP202Y換成TOP224Y，后者在寬范圍電壓輸入時的最大輸出功率可達到45W。第二，給TOP224Y配置了外部誤差放大器—TL431型可調式精密并聯穩壓器，內部包含2.50V基準電壓源、誤差放大器和開關式晶體管驅動器，能直接檢測輸出電壓的變化量，并進行精確的調整。輸出電壓UO經R4，R5分壓后得到取樣電壓，與TL431內部2.50V基準電壓源進行比較之后，輸出誤差電流信號，再通過NEC2501型光耦合器流入TOP224Y的控制端，直接控制輸出占空比，獲得穩定電壓輸出。改變電阻R4與R5的分壓比，可以調整輸出電壓的標稱值。控制環路的頻率響應由R3，C5的大小所決定。R3的阻值范圍是6.2Ω～15Ω。

該電源的峰值輸出功率為60W。電壓調整率和負載調整率均為±0.2％，幾乎可同線性穩壓電源相媲美，而其電源效率可達84％，比線性穩壓電源提高近一倍。

參考文獻

1Power公司.產品手冊.1997～2000

2沙占友.單片開關電源的發展及其應用.電子技術應用，2000.（1）

3沙占友.新型特種集成電源及應用.北京：人民郵電出版社，1998