TOPSwitch單片電源電路是美國動力（PI）公司的產品，在儀器儀表、筆記本電腦、移動電話、音像設備等系統中獲得廣泛應用。 這個器件集成了功率開關管（MOSFET）、控制電路、振蕩器等于一體。它僅采用三端器件，以最簡單的接線方式，構成電源系統。從而極大地簡化了150W以下電源系統的設計。

TOPSwitch-I、TOPSwitch-II系列單片電源

一．TOPSwitch-I、TOPSwitch-II系列單片電源器件 　　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”。
TOPSwitch-I系列是美國動力公司1994年推出的第一代產品。包括：TOP100-TOP104、TOP200-TOP204/TOP214、TOP209/TOP210。 TOPSwitch-II則是在1997年推出的第二代產品。第二代產品在電路性能，特別是輸出功率上獲得大幅度的提高。 這兩個系列的封裝是一致的，實際上它是一個三端器件。三個腳分別是D、S、C，即漏極、源極、控制極。封裝形式有TO-220的三端器件式和DIP-8、SMD-8的八腳雙列式兩種基本形式。如圖1。八腳封裝的1-3、6-8通常并聯后作為S，所以也相當于三端器件。 這三個腳的含義是：

（a）TO－220封裝（b）DIP－8封裝和SMD－8封裝 圖1：TOPSwitch的封裝 源極S：連接內部MOSFET的源極，同時也是TOP開關及開關電源初級電路的公共接地點及基準點。 漏極D：是內部MOSFET的漏極，也是內部電流的檢測點。該點內部有一電流源提供芯片偏置電流。 控制極C：誤差放大電路和反饋電流輸入端。其作用是：1）提供自動重啟電容連接點并決定重啟頻率。2）通過調節其輸入電流，可以調整占空比。3）為芯片提供正常工作的偏置電流。4）提供旁路和補償功能的電容連接點。
下面的介紹中，我們以TOPSwitch-II為主。 二．TOPSwitch-II產品的分類及特點 （一）、產品分類 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1：TOPSwitch－Ⅱ的產品分類及最大輸出功率POM（單位：W）

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（二）、性能特點 1．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。 2．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％。 3．典型頻率100KHz，允許值90-110KHz，占空比調節范圍：1.7-67%。 4．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，允許范圍是90kHz～110kHz，占空比調節范圍是1.7％～67％。 5．外圍電路簡單，成本低廉。芯片本身功耗很低，溫度范圍0-70攝氏度，最高結溫135攝氏度。電源效率可達80％左右,比線性集成穩壓電源提高了近一倍。 三．TOPSwitch-II的工作原理 TOPSwitch－Ⅱ的內部框圖如圖4-23所示。主要包括10部分： 1．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。

圖2：TOPSwitch-II內部原理框圖 2．帶隙基準電壓源 給內部提供各種基準電壓。 3．振蕩器 產生鋸齒波（SAW）、最大占空比信號（Dmax）和時鐘信號（CLOCK））。 4．并聯調整器／誤差放大器 5．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。 6．門驅動級和輸出級 內含耐壓為700V的功率開關管MOSFET。 7．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。 8．過熱保護及上電復位電路 當芯片結溫Tj>135℃，關斷輸出級。 9．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。 10．高壓電流源 提供偏流用。 事實上，TOPSwitch-I也包括這樣的十個部分。 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。如：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。 四．TOPSwitch-II單片電源的應用 下面這個圖，顯示了單片開關電源的典型應用方法。

圖3：15W-TOPSwitch-II單片電源的應用 該電路交流輸入電壓范圍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。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，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，初級電感量LP=620μH±10％，漏感量LP0≤11μH。 ?

TOPSwitch-FX系列單片電源

一．芯片簡介 Power Integrations（PI）公司在2000年3月發布了新的TOPSwitch-FX開關電源IC系列，它為設計高度集成的電源提供了更大的靈活性，采用的EcoSmart節能技術可以幫助工程師生產出符合環保要求的更加“綠色”的電子產品。器件輸出功率最高達75W，可廣泛應用于手機充電器、PC待機電源、機頂盒、DVD和LCD顯示器等不同領域。 二．引腳： TOPSwitch-FX在TOPSwitch-II三個引腳的基礎上增加了二個引腳，其中一個是多功能引腳（M），另一個是頻率引腳（F）。

（一）多功能引腳(Multi-Function)： TOPSwitch-FX使多功能可以通過單一的可編程引腳(Multi-Function)來實現。 1．這個引腳可以利用一個電阻同時設置欠壓、過壓以及前饋的保護功能。當整流后的DC電壓值超過了設置的過壓閾值時，將強迫TOPSwitch-FX的功率MOSFET關斷，增加了對浪涌電壓的防護能力。欠壓檢測可以防止關閉電源時出現瞬變的電壓尖峰。執行電壓前饋可以減少輸出電壓紋波。 2．這個引腳還可以允許用幾種方式進行TOPSwitch-FX的遠程ON/OFF控制。 3．此外，這個引腳還可以用來在外部編程設置精確的電流限值。

（二）頻率引腳（FREQUENCY）： 只在TO-220封裝下提供，它與控制腳（CONTROL）短接時，可使正常的開關頻率130kHz縮小到一半，即65kHz。這對于噪聲敏感的視頻應用或高效率待機工作模式都是有利的。 三．器件的新功能 TOPSwitch-FX還集成了一些新的功能，其中有： 1．新增多功能引腳，保護功能加強。 2．新增頻率引腳，有利于控制噪聲和提高待機效率。 3．軟啟動（Soft-Start），可以降低啟動時元器件的峰值電流與電壓負荷。 4．頻率抖動（Frequency Jitter），可降低電磁干擾。 5．滯后過熱保護。 6．采用多方面的EcoSmart節能技術，使能源得到更有效的利用，可實現環保設計。例如，遙控開/關、省略周期（Cycle Skipping）和頻率減半等功能可以顯著地降低能耗，特別是在待機和空載的條件下。這種特性使得很多電子產品可以達到甚至超過如Energy Star、Blue Angel、Energy 2000之類的通用節能標準。 這個芯片盡管增加了許多新的功能，但僅僅8個月，即被新版本的TOPSwitch-GX替代。因此，該芯片不做課程重點，我們這里重點介紹TOPSwitch-GX芯片。 ?

TOPSwitch-GX系列單片開關電源

以往芯片存在一些不足：紋波電壓較大、空載和輕載損耗大、高溫工作時輸出功率受限、啟動時元件承受較大的尖峰電壓和電流以及設計不夠靈活等。針對這些不足之處，Power Integrations公司優化了芯片的內部布局，改進了電路功能，于2000年11月新推出了TOPSwitch家族的第四代芯片:TOPSwitch-GX系列。 TOPSwitch-GX系列增加了許多新功能，從而有效地降低了電源系統成本，提高了電源性能，改善了設計靈活性并擴展了電源輸出功率。如其中的TOP250型芯片，最大輸出功率可達290W，該芯片極大地擴展了開關電源芯片在大功率領域內的應用范圍。 一．TOPSwitch-GX系列的功能特點 TOPSwitch-GX系列新增的主要功能及其優點如下： 1．更寬的輸出功率范圍，最大可達290W。 2．可減少外圍器件的損耗。 3．在極低壓或過壓時能實現完全軟啟動，進一步減小了器件在啟動時的電壓、電流應力。 4．外部可編程精確地設定限制電流，減小了變壓器鐵芯體積，提高了電源效率。 5．更大的占空比，能提供更大的輸出功率并減小了輸入電容。 6．在Y、R、F型式封裝中將電壓檢測管腳與限流管腳分開封裝，提高了設計的靈活性。 7．欠壓保護，不會造成誤關斷。 8．有過壓保護，可以限制浪涌電流。 9．采用線電壓前饋,減小了低壓時的輸出電壓紋波，限制了高壓時的最大占空比（Dmax）。 10．有±3％的頻率抖動，減小了電磁干擾（EMI）,并降低了EMI濾波器的損耗。 11．空載、輕載時可降低工作頻率，使輸出電路無需加假負載，從而顯著地減少了能量損耗。 12．高達132kHz的工作頻率，減小了變壓器和電源的體積。 13．在視頻應用時可選擇半頻（66kHz）運行（只限于Y、R、F封裝），有利于控制噪聲。 14．溫度范圍更寬的滯后熱關斷，允許電源在高溫下輸出更大的功率，并有效地防止裝置過熱。 TOPSwitch-GX系列的這些優點使其可廣泛地應用于手提電腦、PDA、集線器、交換器、路由器、臺式電腦、小型服務器、機頂盒、數碼電視、打印機、DVD、UPS、電視游戲機、音頻放大器等裝置中。

二．器件管腳功能描述

（一）管腳排列 TOPSwitch-GX系列有TOP242—TOP250的9種不同容量型號，又分為Y、P、G、R、F等5種封裝形式。根據封裝形式不同，TOPSwitch-GX系列芯片新增的管腳數也不同。P、G型封裝與第三代芯片TOPSwitch-FX系列一樣只有D、S、C、M四個管腳，而Y、R、F型封裝則有六個管腳：D、S、C、F、X、L。圖4為Y/R/F型封裝芯片引腳圖，Y、R、F型封裝的管腳功能如下。

圖4：TOPSwitch-GX引腳圖 （二）管腳功能說明 器件的六個引腳說明如下： 1．漏極管腳（D）：高壓功率MOSFET漏極輸出。通過此腳從高壓開關電流源輸入內部啟動偏置電流。 2．控制管腳（C）：用于調節占空比的誤差放大器電流輸入腳。在正常操作期間通過連接至內部分流調節器來提供內部偏置電流，也可以作為電源的旁路和自動重啟/補償電容的連接點。 3．源極管腳（S）：內部MOSFET的源極。將其連接至輸出MOSFET源極時可得到高壓功率回饋。 4．電壓檢測管腳（L）：作為欠壓保護（UV）、過壓保護(OV)、減少Dmax的線性前饋及遠程開/關等4項功能的控制腳。 1）當腳L與腳S短接時，各項功能均不起作用； 2）當L腳串聯電阻接至電源母線時，可實現UV、OV及隨母線電壓減少Dmax的3項功能； 3）當腳L通過電阻與腳C相連，并外接一級開關信號放大電路時可以實現遠程控制開/關的作用。 5．外部限流管腳（X）：用于外部電流限制值設置的輸入腳。 1）當串聯電阻接至地線時為外部可編程精確設定限流值； 2）當串電阻接至電源母線時可隨母線電壓調節限流值。 6．頻率管腳（F）：用于選擇開關頻率的輸入腳。在多數應用場合下將腳F連接至源極管腳S，此時開關頻率為132kHz。在一些特殊應用場合如對噪音敏感的音頻設備中，將腳F連接至控制管腳C時開關頻率降為66kHz以減小干擾。 三．器件類型及參數 下表是GX系列的器件類型及相關數據。

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可以看出，GX系列從6.5W到290W，有比較寬的功率選擇范圍。 總體分類： 按輸入：固定輸入為110/115/230VAC，寬輸入為：85-265VAC。 按模塊外形：密封式和敞開式，后者功率相對更高。 按封裝形式：有Y、P、G、R、F等5種封裝形式。 其它更具體的模塊使用特性及應用要領，需要時我們可以查閱相關手冊。 由于許多新的特性和寬的選擇范圍，這個系列的器件目前是PI公司推廣的主流開關電源器件。 四．內部功能原理： 下圖是器件的內部原理框圖。

圖4-5：TOPSwitch-GX的內部原理框圖 電路主要包含18部分： 1．控制電壓源。 2．帶隙基準電壓源。 3．頻率抖動振蕩器。 4．并聯調整器/誤差放大器。 5．脈寬調制器，含PWM比較器和觸發器。 6．過流保護電路。 7．門極驅動和輸出極。 8．具有滯后特性的過熱保護電路。 9．高壓電流源。 10．軟啟動電路。 11．關斷/自動重啟電路。 12．欠壓比較器。 13．電流極限比較器。 14．線路比較器。 15．線路檢測端和極限電流設定端的內部電路。 16．輕載時自動降低開關頻率的電路。 17．停止邏輯。 18．開啟電壓為1V的電壓比較器。 五．TOPSwitch-GX的典型應用 圖6給出了GX模塊的典型應用實例。

圖6：TOPSwitch-GX應用電路 所示電路為單端反激式開關電源，利用了TOPSwitch—GX的某些特性來降低系統成本，減小電源尺寸，提高效率。此電路采用通用的85～265V交流輸入，輸出12V直流電壓，功率70W。考慮到密封適配器的工作環境，選用熱損耗最小的TOP249Y。 電阻R9和R10從外部將限流值設定為僅略高于低電壓工作時的滿載峰值電流，從而允許使用更小的變壓器磁芯，同時可以避免啟動和輸出負載瞬態的磁芯飽和。電阻R9和R10還能使限流值隨電壓升高而降低，從而限制高輸入電壓時的最大過載功率，并使次級無需任何保護電路。電阻R11實現欠壓和過壓檢測。當R11=2MΩ時，電源在直流電壓達到100V之后才開始工作。在關斷交流輸入時，欠壓檢測防止C1放電時的輸出干擾，并在輸入直流電壓降到40V以下時關斷TOPSwitch—GX。過壓門限值被設定為DC450V，當超過此值時，例如發生電涌時，器件在電涌期間停止工作，從而使器件可以經受700V高壓的沖擊。 電容C11與VR1并聯以降低齊納箝位損耗，VR1、D1組成緩沖吸收電路，吸收功率器件在關斷過程中由于變壓器漏感產生的電壓尖峰過沖。電路的工作頻率為132kHz，可用PQ26/20磁芯提供70W功率。為了調節輸出，用光耦（U2）和次級基準一起，通過電阻分壓網絡（U3，R4，R5，R6）檢測輸出電壓。D3和C12對偏置繞組的輸出進行整流和濾波，R8實現漏感尖峰濾波，使偏置電壓在輸出負載變化很大時仍能保持恒定，為了改善抵抗共摸電涌的能力，偏置繞組的共摸電路直接與直流大電容（C1）相連。 輸入電容能提供TOPSwitch-GX所需的最小直流電壓，以保證最低額定輸入電壓和最大輸出功率條件下電壓受控。由于GX的DCmax比TOPSwitch-Ⅱ的高，它可以使用更小的輸入電容。對TOPSwitch-GX而言，通常輸入電容可按2μF/W來選取

審核編輯：黃飛

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