TOPSwitch器件在電源中的應(yīng)用

時(shí)間：2011-02-12 08:54:53

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[導(dǎo)讀]摘要：采用PWM控制器和MOSFET功率開關(guān)一體化的集成控制芯片是新一代開關(guān)電源設(shè)計(jì)的重要特點(diǎn)和趨勢。本文介紹美國功率集成公司（PowerIntegrationsInc.）于九十年代中期研制推出的三端PWM/MOSFET二合一集成控制器件TO

摘要：采用PWM控制器和MOSFET功率開關(guān)一體化的集成控制芯片是新一代開關(guān)電源設(shè)計(jì)的重要特點(diǎn)和趨勢。本文介紹美國功率集成公司（PowerIntegrationsInc.）于九十年代中期研制推出的三端PWM/MOSFET二合一集成控制器件TOPSwitch系列及其在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，同時(shí)介紹如何應(yīng)用EXCEL電子表格設(shè)計(jì)與TOPSwitch相匹配的高頻功率變壓器的程序。

1引言

　　MOSFET功率開關(guān)、PWM控制器和高頻功率變壓器是開關(guān)電源必不可少的組成部分。其中，特別是PWM控制器和變壓器的設(shè)計(jì)是開關(guān)電源設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

　　傳統(tǒng)開關(guān)電源設(shè)計(jì)一般均采用分立的MOSFET功率開關(guān)和多引腳的PWM集成控制器，電路的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，系統(tǒng)的穩(wěn)定性不夠理想，分立的MOSFET功率開關(guān)對開關(guān)電源的效率亦有限制。為了解決傳統(tǒng)開關(guān)電源設(shè)計(jì)面臨的這些難題，90年代以來，出現(xiàn)了將開關(guān)電源中最重要的兩個(gè)部分——PWM集成電路和MOSFET功率開關(guān)，集成在同一塊芯片上，構(gòu)成PWM/MOSFET二合一集成芯片的趨勢，二合一集成控制芯片的問世，降低了開關(guān)電源設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，減少了開關(guān)電源設(shè)計(jì)所需的時(shí)間，從而大大加快了產(chǎn)品進(jìn)入市場的速度。

　　二合一集成控制芯片多采用3腳、4腳、5腳、7腳和8腳封裝，交流輸入電壓為世界各國均可通用的(85～265)V或(90～270)V，開關(guān)頻率為(30～220)kHz，輸出功率從10W到200W，可在充電器、VCR、打印機(jī)、適配器、轉(zhuǎn)接器、衛(wèi)星接收器、個(gè)人電腦、監(jiān)視器和彩電等設(shè)備的開關(guān)電源中廣泛應(yīng)用，美國功率集成公司（PowerIntegrationsInc.）于九十年代中期研制推出的三端脫線式TOPSwitch系列二合一集成控制器件，大多采用3腳的TO?220封裝，其引腳數(shù)目是目前同類產(chǎn)品中最少的，因而是該類器件的代表性產(chǎn)品。

2TOPSwitch器件簡介

　　TOPSwitch系列器件是三端脫線式PWM開關(guān)（Three?terminalOff?linePWMSwtich）的英文縮寫。TOPSwitch系列器件主要包括下列型號：TOP100～TOP104，TOP200～TOP204/TOP214，TOP209/TOP210。

　　TOPSwitch系列器件僅用了三個(gè)管腳就將脫線式開關(guān)電源所必需的具有通態(tài)可控柵極驅(qū)動電路的高壓N溝道功率的MOS場效應(yīng)管，電壓型PWM控制器，100kHz高頻振蕩器，高壓起動偏置電路，帶隙基準(zhǔn)，用于環(huán)路補(bǔ)償?shù)牟⒙?lián)偏置調(diào)整器以及誤差放大器和故障保護(hù)等功能全部組合在一起了。采用TOPSwitch器件的開關(guān)電源與采用分立的MOSFET功率開關(guān)及PWM集成控制器的開關(guān)電源相比，具有以下特點(diǎn)：

　?。?）成本低廉。使用TOPSwitch器件，可減少20～50個(gè)元器件，使產(chǎn)品的大小和重量減少50％；TOPSwitch因采用了源極調(diào)節(jié)板和可控的MOSFET通態(tài)驅(qū)動，故電磁干擾(EMI)和EMI濾波器的成本可明顯降低；

　　（2）系統(tǒng)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(guān)電路相比，偏置電流顯著降低；開關(guān)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起動偏壓電流的電路均可除去，系統(tǒng)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(jìn)行了優(yōu)化，使最大值占空比可達(dá)70％，TOP100～TOP104，TOP200～TOP204/TOP214的效率可達(dá)90％，TOP209/TOP210的效率也可超過80％；

　?。?）電源設(shè)計(jì)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(guān)，只需外接一個(gè)電容就能實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償、旁路、起動和自動重起功能。另外，美國功率集成公司還為TOPSwitch器件提供了許多標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的電路板，使應(yīng)用TOPSwitch的設(shè)計(jì)更為方便，極大地縮短了產(chǎn)品開發(fā)至進(jìn)入市場所需的時(shí)間；

　　（4）應(yīng)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(jié)合，無論在連續(xù)傳導(dǎo)模式和不連續(xù)傳導(dǎo)模式下均可工作；

　?。?）功能完善的系統(tǒng)級故障保護(hù)。TOPSwitch具有自動重起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(jìn)行保護(hù)。TOPSwitch還具有在片熱關(guān)閉選通功能，可在電路超負(fù)荷時(shí)有效地保護(hù)電源。

　　一般，TOP100～TOP104主要應(yīng)用于輸入電壓為100V或110VAC，功率在（0～60）W范圍內(nèi)的開關(guān)電源或功率在（0～110）W范圍內(nèi)采用功率因數(shù)校正(PFC)的開關(guān)電源。同樣適用于功率在（0～25）W范圍內(nèi)的無線通信、有線通信以及其他DC/DC變換的應(yīng)用。

　　TOP200～TOP204/TOP214則適于輸入電壓為100V，110V或230VAC，功率在（0～100）W范圍內(nèi)的開關(guān)電源〔如在三種輸入電壓下均能工作，則功率限制在（0～50）W范圍內(nèi)〕，或輸入為230V或277VAC，功率在（0～150）W范圍內(nèi)采用功率因數(shù)校正的開關(guān)電源。

　　由于TOP100～TOP104采用的是350V的MOSFET，TOP200～TOP204/TOP214采用的是700V的MOSFET，故后者能在輸入電壓更高、系統(tǒng)功率更大的應(yīng)用中使用。兩組器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全相同，均如圖1所示。

　　TOP100～TOP104和TOP200～TOP204/TOP214采用圖2(a)所示3腳的TO?220封裝，管腳定義如下：　　漏極——連接內(nèi)部MOSFET的漏極，在起動時(shí)，通過內(nèi)部高壓開關(guān)電流源提供內(nèi)部偏置電流。

　　源極——連接內(nèi)部MOSFET的源極，是初級電路的公共點(diǎn)，電源回流和基準(zhǔn)點(diǎn)。

　　控制極——誤差放大電路和反饋電流的輸入端。在正常工作時(shí)，由內(nèi)部并聯(lián)調(diào)整器提供內(nèi)部偏流。系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)，可激發(fā)輸入電流，同時(shí)也是提供旁路、自動重起和補(bǔ)償功能的電容連接點(diǎn)。

　　值得注意的是，TOP209/TOP210還特別為小功率備用電源應(yīng)用作了優(yōu)化，彌補(bǔ)了TOPSwitch系列在這一類應(yīng)用中的不足。應(yīng)用TOP209可以設(shè)計(jì)出性價(jià)比更高的開關(guān)電源，可為綠色或節(jié)能產(chǎn)品，如個(gè)人電腦、監(jiān)視器、UPS、復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)提供備用電源，還可在諸如電視、家用電器、工業(yè)控制器和個(gè)人電腦等產(chǎn)品中應(yīng)用。

　　TOP209/TOP210內(nèi)部結(jié)構(gòu)和TOP100～TOP104和TOP200～TOP204/TOP214的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相比只有細(xì)微的差別。不過，TOP209/TOP210采用的是8腳DIP封裝方式，如圖2(b)所示。

　　1997年，美國功率集成公司又推出了TOP

圖1TOPSwitch系列器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

(a)TO?220封裝(b)DIP?8封裝

圖2TOPSwitch器件管腳

圖3TOPSwitch?Ⅱ系列器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

Switch?Ⅱ系列器件。TOPSwitch?Ⅱ系列器件同TOPSwitch系列器件相比，內(nèi)電路作了許多改進(jìn)，器件對于電路板布局以及輸入總線瞬變的敏感性大大減少，故設(shè)計(jì)更為方便，性能又有了增強(qiáng)，性能價(jià)格比更高。與TOPSwitch系列器件相比，TOPSwitch?Ⅱ系列器件在輸入電壓為100V、115V或230VAC時(shí)，系統(tǒng)功率從（0～100)W提高到（0～150）W，在三種電壓下均可工作時(shí)，系統(tǒng)的功率從（0～50）W提高到（0～90）W，從而使得TOPSwitch?Ⅱ器件可在如電視、監(jiān)視器以及音頻放大器等許多新的應(yīng)用范圍內(nèi)使用。

　　TOPSwitch?Ⅱ系列器件包括TOP221～TOP227，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。美國功率集成公司為TOPSwitch?Ⅱ器件提供了多種封裝方式，其中8腳的PDIP封裝方式內(nèi)部的引線框，可使用6個(gè)管腳將熱量直接從芯片傳送到電路板上，從而節(jié)省了使用散熱器的成本。

3TOPSwitch器件在不同功率變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

　　TOPSwitch系列器件可在降壓型、升壓型、正激和反激式功率變換電路中使用。 [!--empirenews.page--]

3?1降壓型（BUCK）功率變換電路

　　TOPSwitch器件在降壓型功率變換電路中的使用如圖4(a)所示。降壓型功率變換電路是最簡單的PWM型DC/DC功率變換電路，動態(tài)特性較好。但是，降壓型功率變換電路的缺點(diǎn)是輸入電流為脈動的，極易產(chǎn)生電磁干擾；穩(wěn)態(tài)電壓比小于1，故只能降壓不能升壓，且只能提供單個(gè)輸出，不能提供多路輸出。

3?2升壓型（BOOST）功率變換電路

　　TOPSwitch器件在升壓型功率變換電路中的使用如圖4(b)所示。同降壓型功率變換電路相比，升壓型功率變換電路輸入電流是連續(xù)的，輸入源的電磁干擾減輕了。但是升壓型功率變換電路輸出側(cè)電流是脈動的，輸出紋波較大；升壓型功率變換電路只能升壓而不能降壓；同樣只能提供單個(gè)輸出，不能提供多路輸出。

3?3正激式（FORWARD）功率變換電路

　　TOPSwitch系列器件在正激式功率變換電路中的應(yīng)用如圖4(c)所示。正激式功率變換電路是具有直流隔離的降壓型功率變換電路。由于加入了變壓器，正激式功率變換電路不但實(shí)現(xiàn)了輸入和輸出的直流隔離，而且不再受降壓型功率變換電路輸出電壓小于輸入電壓的限制，并可提供多路電壓輸出。

3?4反激式（FEEDBACK）功率變換電路

　　TOPSwitch系列器件在反激式功率變換電路中的應(yīng)用如圖4(d)所示。反激式功率變換電路同樣具有直流隔離功能。反激式功率變換電路中的變壓器，除

圖4TOPSwtich在不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的功率變換電路中的應(yīng)用

（a)BUCK(b)BOOST(c)FORWARD(d)FEEDBACK

了起隔離作用之外，還具有儲能的功能。理想情況下，初級和次級線圈中不會同時(shí)有電流存在。反激式功率變換電路輸出電壓不受輸入電壓的限制，亦可提供多路電壓輸出。

　　在設(shè)計(jì)脫線、隔離式開關(guān)電源時(shí)，圖4(d)所示反激式功率變換電路相對而言是一個(gè)最優(yōu)的選擇。

　　出于安全性的考慮，脫線式功率變換電路一定要用變壓器將初、次級相互隔離。此外，大多數(shù)功率變換電路還需要電感來存儲能量并作為輸出脈寬調(diào)制波形的低通濾波器。反激式功率變換電路則不需要額外的電感，因?yàn)殡娐分械淖儔浩骺赏瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)直流隔離、能量存儲和電壓轉(zhuǎn)換的功能，所以相對于其他隔離式功率變換電路，反激式變換電路的元器件數(shù)目，特別是磁性元件的數(shù)目最少，在小功率應(yīng)用中，成本低廉，頗具吸引力。不過，當(dāng)功率達(dá)到100W，輸出電流接近10A后，電路元器件所承受應(yīng)力的增大，使成本迅速增加，系統(tǒng)總成本可能會高于其他電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　若在反激式功率變換電路的變壓器上增加“反饋”線圈，則可直接得到與輸出電壓成正比的反饋電壓。這表示在初級電路中即可實(shí)現(xiàn)對次級電路的控制，不需要在初級電路和次級電路中使用光電耦合器或其他隔離的控制設(shè)備。反激功率變換電路中的變壓器，從嚴(yán)格意義上講只是相互耦合的電感。由于耦合電感直接牽涉到電、磁能量的轉(zhuǎn)換，所以磁性元件和磁路的設(shè)計(jì)，特別是變壓器的設(shè)計(jì)十分復(fù)雜。美國功率集成公司針對反激式功率變換電路對TOPSwitch器件進(jìn)行了優(yōu)化，并提供了EXCEL電子表格來設(shè)計(jì)反激式開關(guān)電源開發(fā)軟件，下一節(jié)介紹的就是應(yīng)用EXCEL電子表格來設(shè)計(jì)反激式開關(guān)電源的實(shí)例。

4應(yīng)用EXCEL電子有格來設(shè)計(jì)反激式開關(guān)電源

　　應(yīng)用EXCEL電子表格設(shè)計(jì)反激式開關(guān)電源是美國功率集成公司為引導(dǎo)設(shè)計(jì)師按給定系統(tǒng)的要求和規(guī)格，采用TOPSwitch系列器件求得滿意結(jié)果的電源設(shè)計(jì)而提出的一種方案。

　　脫線式開關(guān)電源設(shè)計(jì)，涉及電子工程領(lǐng)域的許多內(nèi)容：模擬和數(shù)字電路、二極管和MOS功率器件的特性、磁學(xué)、熱的考慮、安全要求、控制環(huán)路的穩(wěn)定性等等，因此，設(shè)計(jì)開關(guān)電路需要考慮大量相互之間關(guān)系復(fù)雜的設(shè)計(jì)變量。然而，由于TOPSwitch的高度集成性，許多設(shè)計(jì)問題已在芯片之內(nèi)得到了解決。芯片外部需解決問題極少，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)所需考慮的變量數(shù)目大大減少。加上TOPSwitch內(nèi)建環(huán)路穩(wěn)定性很高，所以，不但開關(guān)電源的設(shè)計(jì)簡化了，而且使得程序化設(shè)計(jì)成為可能。

　　開關(guān)電源的設(shè)計(jì)過程，本質(zhì)上就是對系統(tǒng)變量進(jìn)行反復(fù)計(jì)算和調(diào)整，使系統(tǒng)最優(yōu)化的過程。而在反激式功率變換電路中，需要反復(fù)計(jì)算的公式相對來說不太復(fù)雜。如果使用電子數(shù)據(jù)表格，那么設(shè)計(jì)一個(gè)簡單的開關(guān)電源的時(shí)間可縮短到10分鐘。

　　表1是美國功率集成公司提供的可在個(gè)人電腦（PC）上的EXCEL程序中運(yùn)行的電子數(shù)據(jù)表格。運(yùn)用該電子表格，反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)所需計(jì)算的公式全部可由計(jì)算機(jī)來完成，具體步驟如下：

　?。?）根據(jù)應(yīng)用的要求和所使用的變壓器，選擇TOPSwitch器件以及所采用的電路（可從四種電路中任選一種，本例為反激式）。

　?。?）確定輸入變量的估計(jì)值，將其填入電子表格，得到中間參數(shù)和輸出參數(shù)的值。

　?。?）改變輸入變量值反復(fù)進(jìn)行計(jì)算，直到所選擇的輸出參數(shù)值滿足要求。

　　表中的B列填入輸入變量的值，C列和D列顯示中間參數(shù)和輸出參數(shù)的值，最終的輸出參數(shù)的值在D列。其中Krp是美國功率集成公司引入的一個(gè)新變量，定義為初級電路的電流紋波和電流峰值的比值，用來描述TOPSwitch漏極電流波形，以簡化計(jì)算。

　　對于特定的應(yīng)用和變壓器，表中23個(gè)變量中的20個(gè)反復(fù)計(jì)算時(shí)是保持不變的。只有次級線圈圈數(shù)的Ns,電流紋波和峰值的比值Krp和初級繞組層數(shù)L三個(gè)變量在重復(fù)過程中需要改變?nèi)≈怠?/p>

　　所有參數(shù)在重復(fù)計(jì)算時(shí)，需要對最大磁通量密度Bm，氣隙長度Lg，初級載流量CMA三個(gè)參數(shù)進(jìn)行檢查，判斷取值是否滿足要求。至于其他的參數(shù)，則是中間值或者是最終結(jié)果，供選擇或制造元器件的時(shí)候使用。

　　應(yīng)用電子表格進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，不斷改變Ns，Krp，L的值進(jìn)行重復(fù)計(jì)算，最后當(dāng)Bm，Lg，CMA均滿足要求時(shí)，一個(gè)基本的TOPSwitch反激式變壓器的設(shè)計(jì)就完成了。按此設(shè)計(jì)出的電源一般可以正常工作，在電源輸入電壓達(dá)到最小值時(shí)，功率傳輸比可達(dá)最大值。 [!--empirenews.page--]

變壓器次級設(shè)計(jì)參數(shù)
ISP			1.70	A	次級峰值電流
ISRMS			0.64	A	次級RMS電流
IO			0.33	A	電源輸出電流
IRIPPLE			0.55	A	輸出電容的RMS紋波電流
CMS		299		Cmils	次級裸線最小圓密爾
AWGS			25	AWG	次級線規(guī)
DIAS			0.46	mm	次級裸線最小直徑
ODS			0.91	mm	次級絕緣線最大外徑
INSS		0.23		mm	次級最大絕緣壁厚
電壓應(yīng)力參數(shù)
VDRAIN			678	V	估計(jì)最大漏極電壓（漏感效應(yīng)）
PIVS			59	V	輸出整流器最大峰值反向電壓
PIVB			47	V	偏置整流器最大峰值反向電壓
附加輸出
VX	12			V	輔助輸出電壓
VDX	0.7			V	輔助二極管正向壓降
NX			8.09		輔助繞組匝數(shù)
PIVX			47	V	輔助整流器最大峰值反向電壓

A	B	C	D	E	F
	輸入		輸出
輸入應(yīng)用變量值
VACmin	90			V	最小輸入交流電壓
VACmax	265			V	最大輸入交流電壓
fL	50			Hz	交流總線頻率
fs	100000			Hz	TOPSwitch切換頻率
Vo	15			V	輸出電壓
Po	5			W	輸出功率
η	0.8				橋臂估計(jì)效率
Z	0.5				損耗分配因子
VB	12			V	偏置電壓
tc	3			ms	橋臂估計(jì)導(dǎo)通時(shí)間
CIN	22			μF	輸入濾波電容
輸入TOPSwitch變量
VOR	135			V	輸出反射電壓
ILIMITmax	0.276			A	據(jù)TOPSwitch數(shù)據(jù)卡
VDS	10			V	TOPSwitch通態(tài)漏－源電壓
VD	0.7			V	輸出二極管正向壓降
VDB	0.7			V	偏置二極管正向壓降
KrP	1.00				紋波與峰值電流比值（0.4輸入變壓器鐵芯結(jié)構(gòu)變量
	EE19				鐵芯類型
AE	0.23			cm2	鐵芯有效截面積
LE	3.94			cm	鐵芯有效磁路長度
AL	1250			nH/T2	無氣隙鐵芯有效電感
BW	9.1			mm	線架物理繞組寬度
M	0			mm	安全容限寬度（初、次級漏電距離之半）
L	2				初級層數(shù)
NS	10				次級匝數(shù)
直流電壓參數(shù)
Vmin			111	V	最小直流輸入電壓
Vmax			375	V	最大直流輸入電壓
電流波形參數(shù)
Dmax			0.57		最小直流輸入電壓時(shí)的占空比
IAVG			0.06	A	初級平均電流
IP			0.20	A	初級峰值電流
IR			0.20	A	初級紋波電流
IRMS			0.09	A	初級均方根電流
變壓器初級設(shè)計(jì)參數(shù)
LP			2891	μH	初級電感
NP			86		初級繞組匝數(shù)
Nb			8		偏置繞組匝數(shù)
ALG		391		nH/T2	加氣隙鐵心的有效電感
BM			2883	Gs	Po,Vmin時(shí)的磁通密度
BP			4034	Gs	峰值磁通密度（BP4200）
BAC		1442		Gs	鐵芯損耗曲線的交流磁通密度（峰－峰值的0.5倍）
μr		1704			無氣隙鐵芯的相對磁導(dǎo)率
Lg			0.05	mm	氣隙長度（Lg?0.051mm）
BWE		18.2		mm	線框有效寬度
OD			0.21	mm	初級最大線徑（包括絕緣層）
INS		0.04		mm	總絕緣估計(jì)厚度（=2＊filmthickness）
DIA			0.17	mm	裸線直徑
AWG			34	AWG	初級線規(guī)
CM		40		Cmils	裸線有效面積（圓密爾）
CMA			468	Cmils/A	初級導(dǎo)線載流量