TOPSwitch GX系列第四代單片開關(guān)電源的原理分析
TOPSwitch?GX系列是美國PowerIntegrations公司繼TOPSwitch?FX之后，于2000年底新推出的第四代單片開關(guān)電源集成電路，并將作為主流產(chǎn)品加以推廣。下面詳細闡述TOPSwitch?GX的性能特點、產(chǎn)品分類和工作原理。 1TOPSwitch?GX的性能特點及產(chǎn)品分類 1.1性能特點 （1）該系列產(chǎn)品除具備TOPSwitch?FX系列的全部優(yōu)點之外，還將最大輸出功率從75W擴展到250W，適合構(gòu)成大、中功率的高效率、隔離式開關(guān)電源。 （2）采用TO?220?7C封裝的TOP242～TOP249產(chǎn)品，新增加了線路檢測端（L）和從外部設(shè)定極限電流端（X）這兩個引腳，用來代替TOPSwitch?FX的多功能端（M）的全部控制功能，使用更加靈活、方便。 （3）將開關(guān)頻率提高到132kHz，這有助于減小高頻變壓器及整個開關(guān)電源的體積。 （4）當開關(guān)電源的負載很輕時，能自動將開關(guān)頻率從132kHz降低到30kHz（半頻模式下則由66kHz降至15kHz），可降低開關(guān)損耗，進一步提高電源效率。 （5）采用了被稱作EcoSmart的節(jié)能新技術(shù)，顯著降低了在遠程通／斷模式下芯片的功耗，當輸入交流電壓是230V時，芯片功耗僅為160mW。 1.2產(chǎn)品分類 根據(jù)封裝形式和最大連續(xù)輸出功率的不同，TOPSwitch?GX系列可劃分成三大類、共14種型號，詳見表1。型號中的后綴P、G、Y分別表示DIP?8B、SMD?8B、TO?220?7C封裝。 表1TOPSwitch?GX的產(chǎn)品分類及最大連續(xù)輸出功率POM
2TOPSwitch?GX的引腳功能
產(chǎn)品型號
固定交流輸入（110/115V/230V±15％）
寬范圍交流輸入（85V～265V）
密封式電源模塊
敞開式電源
密封式電源模塊
敞開式電源
TOP242P/G
9W
15W
6.5W
10W
TOP242Y
10W
22W
7W
14W
TOP243P/G
13W
25W
9W
15W
TOP243Y
20W
45W
15W
30W
TOP244P/G
16W
30W
11W
20W
TOP244Y
30W
65W
20W
45W
TOP245Y
40W
85W
26W
60W
TOP246Y
60W
125W
40W
90W
TOP247Y
85W
165W
55W
125W
TOP248Y
105W
205W
70W
155W
TOP249Y
120W
250W
80W
180W
TOPSwitch?GX的引腳排列如圖1所示。其中，TO?220?7C封裝有6個引出端，它們分別是控制端C，線路檢測端L，極限電流設(shè)定端X，源極S，開關(guān)頻率選擇端F，漏極D。利用線路檢測端（L）可實現(xiàn)四種功能：過壓（OV）保護；欠壓（UV）保護；電壓前饋（當電網(wǎng)電壓過低時用來降低最大占空比）；遠程通／斷（ON／OFF）和同步。而利用極限電流設(shè)定端（X），可從外部設(shè)定芯片的極限電流。DIP?8B和SMD?8B封裝仍保留多功能端M，并未設(shè)置開關(guān)頻率選擇端F，故等效于四端器件。其余引腳功能與TOPSwitch?FX相同。
圖1TOPSwitch?GX的引腳排列(a)TO?220?7C封裝(b)DIP?8B和SMD?8B封裝
圖2TOPSwitch?GX的內(nèi)部框圖
3TOPSwitch?GX的工作原理
采用Y封裝的TOPSwitch?GX系列產(chǎn)品，其內(nèi)部框圖如圖2所示。電路主要由18部分組成：
（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(lián)調(diào)整器／誤差放大器；
（5）脈寬調(diào)制器（含PWM比較器和觸發(fā)器）；
（6）過流保護電路；
（7）門驅(qū)動級和輸出級；
（8）具有滯后特性的過熱保護電路；
（9）關(guān)斷／自動重起動電路；
（10）高壓電流源；
（11）軟起動電路；
（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(shè)定端的內(nèi)部電路；
（16）輕載時自動降低開關(guān)頻率的電路；
（17）停止邏輯；
（18）開啟電壓為1V的電壓比較器。
它與TOPSwitch?FX的主要區(qū)別為：新增加了第（16）、（17）、（18）項單元電路；給電流極限調(diào)節(jié)器也增加了軟起動輸出端；將頻率抖動振蕩器產(chǎn)生的開關(guān)頻率提升到132kHz（全頻模式）或66kHz（半頻模式）；給頻率抖動振蕩器增加了一個“停止邏輯”（STOPLOGIC）電路，使之工作更為可靠。TOPSwitch?GX的工作原理仍然是利用反饋電流IC來調(diào)節(jié)占空比D，達到穩(wěn)壓目的。舉例說明，當輸出電壓VO降低時，經(jīng)過光耦反饋電路使得IC減小，占空比則增大，輸出電壓隨之升高,最終使VO維持不變。
TOPSwitch?GX與TOPSwitch?FX的性能比較，詳見表2。下面重點闡述TOPSwitch?GX新增功能電路的原理。
3.1輕載時自動降低開關(guān)頻率的電路
對TOPSwitch?GX而言，開關(guān)頻率及占空比能隨輸出端負載的降低而自動減小。其減小量與控制端流入的電流成反比。當控制端電流逐漸增大時，占空比能線性地減少到10％，但是當負載很輕時，占空比可低于10％。與此同時，開關(guān)頻率也減少到最小值，以提高開關(guān)電源在輕載下的效率。當開關(guān)頻率的正常值（即典型值）為132kHz時，頻率最小值為30kHz，在半頻模式下開關(guān)頻率正常值為132kHz／2=66kHz，此時頻率最小值就降至15kHz。該特性能保證開關(guān)電源在輕載時，仍保持良好的調(diào)節(jié)功能，并且降低了電源的開關(guān)損耗。開關(guān)頻率f和占空比D與控制端電流IC的關(guān)系如圖3所示。
圖3開關(guān)頻率和占空比與控制端電流的關(guān)系曲線
(a)f?IC關(guān)系曲線(b)D?IC關(guān)系曲線
| 功能 | TOPSwitch?FX | TOPSwitch?GX | TOPSwitch?GX |
|---|---|---|---|
| 輕載時的工作方式 | 跳過周期 | 降低開關(guān)頻率及占空比 | ·提高輕載下的電源效率·降低空載損耗 |
| Y封裝將線路檢測、外部極限電流設(shè)定分成兩個引腳：L，X | 線路檢測及外部極限電流設(shè)定合并成一個引腳（M），用戶只能從中選用一種功能 | 能同時實現(xiàn)過壓和欠壓保護、電壓前饋、遙控和外部設(shè)定極限電流等多項功能 | ·外部設(shè)計更加靈活，允許同時運用各種功能 |
| 極限電流設(shè)定范圍 | （40％～100％）ILIMIT | （30％～100％）ILIMIT | ·設(shè)定范圍更寬，可設(shè)計在連續(xù)模式下，減小高頻變壓器的尺寸 |
| P封裝的極限電流 | 與Y封裝相同 | TOP243P和TOP244P降低了內(nèi)部極限電流偏差的余量 | ·在低電壓時，能減小輸出端的交流紋波電壓·在低功耗下允許工作在更加連續(xù)的模式 |
| Y封裝的極限電流 | 100％ | 90％（與RSD（ON）相同） | ·減小變壓器尺寸·對用戶更加方便 |
| 熱關(guān)斷溫度及滯后溫度 | 125℃（滯后溫度為70℃） | 130℃（滯后溫度為75℃） | ·在高溫應(yīng)用時允許輸出較大的功率 |
| 最大占空比時的開啟電流 | 90μA | 60μA | ·在低電壓時，降低輸出電壓頻率的波動·降低Dmax，優(yōu)化設(shè)計 |
| 電網(wǎng)電壓過低時的負向關(guān)斷閾值 | —— | 等于正向（開啟）閾值的40％ | ·當電網(wǎng)電壓降低時，能提供精確的關(guān)斷閾值電壓 |
| 軟起動時間 | 10ms（僅控制占空比） | 10ms（能同時限制占空比和極限電流） | ·在軟起動時逐漸增加極限電流和占空比，能進一步降低峰值電壓和電流·在起動時可減輕元器件的負擔 |
表2TOPSwitch?GX與TOPSwitch?FX的性能比較
進一步分析可知，開關(guān)損耗是由片內(nèi)功率開關(guān)管MOSFET的電容損耗和開關(guān)交疊損耗這兩部分構(gòu)成的。這里講的電容損耗亦稱CV2f損耗，它是指儲存在MOSFET輸出電容和高頻變壓器分布電容上的電能，要在每個開關(guān)周期開始時被泄放掉而產(chǎn)生的損耗。交疊損耗則是由于MOSFET存在開關(guān)時間而產(chǎn)生的。在MOSFET的通／斷過程中，有效的電壓和電流同時加到MOSFET上的時間很短，而MOSFET的開關(guān)交疊時間較長，這勢必造成功率損耗。單片開關(guān)電源內(nèi)部加有很小的米勒（Miller）電容，使得MOSFET的開關(guān)速度更快，其交疊損耗僅為分立開關(guān)電源的1/10左右，可忽略不計。但是，由TOPSwitch?GX構(gòu)成的開關(guān)電源在額定輸出功率下，MOSFET的電容損耗仍占總功耗的7％左右，這是不容忽視的問題。特別當開關(guān)電源的負載很輕時，電容損耗在總功耗中所占份額還會進一步增加。因此，輕載時令TOPSwitch?GX處于低頻開關(guān)狀態(tài)，這對于降低MOSFET的電容損耗至關(guān)重要。
3.2內(nèi)部極限電流與外部可編程極限電流
TOPSwitch?GX的漏極極限電流，既可由內(nèi)部設(shè)定，亦可從外部設(shè)定。這是它與TOPSwitch?Ⅱ的另一顯著區(qū)別。其內(nèi)部自保護極限電流ILIMIT的最小值、典型值和最大值見表3，測試條件為芯片結(jié)溫TJ=25℃。ILIMIT會隨環(huán)境溫度的升高而增大。TOPSwitch?GX在每個開關(guān)周期內(nèi)都要檢測MOSFET漏?源極導(dǎo)通電阻RDS(ON)上的漏極峰值電流ID(PK)。當ID(PK)>ILIMIT時，過流比較器就輸出高電平，依次經(jīng)過觸發(fā)器、主控門和驅(qū)動級，將MOSFET關(guān)斷，起到過流保護作用。將TOPSwitch?GX與TOPSwitch?Ⅱ進行比較后不難發(fā)現(xiàn)，TOPSwitch?GX的極限電流容許偏差要小得多。例如TOP223P/Y的容差為1.00±0.1A，相對偏差達(±0.1/1.00)×100％=±10％。而TOP244P/G的容差為1.00±0.07A，相對偏差減小到(±0.07/1.00)×100％=±7％。這表明，用TOP244P/G代替TOP223P/Y來設(shè)計開關(guān)電源時，由于TOP244P/G不需要留出過多的極限電流余量并且它把最大占空比提高到78％（TOPSwitch?Ⅱ僅為67％），因此在相同的輸入功率／輸出電壓條件下，TOPSwitch?GX要比同類TOPSwitch?Ⅱ的輸出功率高出10％～15％，并且還能降低外圍元件的成本。
為方便用戶使用，也可從外部通過改變極限電流設(shè)定端（X）的流出電流IX（用負值表示，單位是μA），來設(shè)定極限電流I′LIMIT值。I′LIMIT的設(shè)定范圍是（30％
～100％）·ILIMIT。
表3內(nèi)部自保護極限電流值
| TOPSwitch?GX系列產(chǎn)品型號 | 極限電流ILIMIT（A） | ||
|---|---|---|---|
| 最小值（ILIMIT(min)） | 典型值（ILIMIT） | 最大值（ILIMIT（max）） | |
| TOP242P/G/Y | 0.418 | 0.45 | 0.481 |
| TOP243P/G | 0.697 | 0.75 | 0.802 |
| TOP243Y | 0.837 | 0.90 | 0.963 |
| TOP244P/G | 0.930 | 1.00 | 1.070 |
| TOP244Y | 1.256 | 1.35 | 1.445 |
| TOP245Y | 1.674 | 1.80 | 1.926 |
| TOP246Y | 2.511 | 2.70 | 2.889 |
| TOP247Y | 3.348 | 3.60 | 3.852 |
| TOP248Y | 4.185 | 4.50 | 4.815 |
| TOP249Y | 5.022 | 5.40 | 5.778 |
3.3遠程通／斷
TOPSwitch?GX是通過改變線路檢測端流入（或流出）電流IX的大小及方向，來控制開關(guān)電源通、斷狀態(tài)的。線路檢測端內(nèi)部還增加了開啟電壓為1V的電壓比較器，此開啟電壓可用于遠程通／斷控制。對于P/G封裝的芯片，把晶體管或光耦合器的輸出接到多功能端（M）與源極（S）之間，就用正邏輯信號（高電平）起動開關(guān)電源，加低電平信號則關(guān)斷；而接在多功能端與控制端（C）之間，就改用負邏輯信號（低電平）起動開關(guān)電源，加高電平則關(guān)斷。對于Y封裝的芯片，將晶體管或光耦的輸出分別接極限電流設(shè)定端（X）、線路檢測端（L），亦可對開關(guān)電源的通／斷進行遙控。
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