遼寧工學(xué)院 TOPSwitch的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)時(shí)需注意的問題

摘要：對(duì)TOPSwitch的特點(diǎn)作了進(jìn)一步的分析，并講述了設(shè)計(jì)中如何求得一個(gè)最佳電感值的問題。

1引言

　　對(duì)于200W以下的開關(guān)電源，應(yīng)用TOPSwitch與應(yīng)用UC3842相比，所需的元器件要少得多，從而使電路簡(jiǎn)化，體積和重量進(jìn)一步減小，成本降低。本文對(duì)TOPSwitch尚未見文獻(xiàn)提及的某些特點(diǎn)及設(shè)計(jì)中需注意的問題提出一些見解。

2特點(diǎn)分析

　　（1）前沿消隱

　　次級(jí)整流電路中二極管反向恢復(fù)時(shí)產(chǎn)生的電流尖峰脈沖波形如圖1所示。如果這個(gè)尖峰脈沖超過了漏極電流的最大值Ilim，就會(huì)導(dǎo)致開關(guān)脈沖提前結(jié)束。為了避免這種情況的出現(xiàn)，TOPSwitch系列器件中設(shè)有前沿消隱電路。實(shí)質(zhì)上，它是一個(gè)延遲電路，即使限流比較器在輸出MOSFET剛導(dǎo)通的一段很短的時(shí)間（一般為180ns）內(nèi)不導(dǎo)通。

圖1二極管反向恢復(fù)時(shí)電流尖峰

圖2自動(dòng)重起動(dòng)波形

圖3自動(dòng)重起動(dòng)時(shí)漏極電流波形

　?。?）自動(dòng)重起動(dòng)

　　TOPSwitch自動(dòng)重起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)波形如圖2所示?？梢钥闯?，電源是按典型值為12.5％的自動(dòng)重起動(dòng)占空比接通和斷開的，即8個(gè)充放電周期中只有一個(gè)周期工作。

　　其原因是：從產(chǎn)品的數(shù)據(jù)手冊(cè)中，可以得到自動(dòng)重起動(dòng)的頻率fR為1.2Hz,對(duì)應(yīng)的自動(dòng)重起動(dòng)周期TR約為0.8s，而TOPSwitch的開關(guān)周期Tosc僅為10μs，也就是說一個(gè)自動(dòng)重起動(dòng)周期包括8×105多個(gè)開關(guān)周期。從而，我們可以得到一個(gè)自動(dòng)重起動(dòng)周期內(nèi)的漏極電流波形如圖3所示。其中Ilim增大的時(shí)間t=tLEB＋tILD，其中tLEB為前沿邊緣消隱時(shí)間（典型值為180ns），tILD是限流延時(shí)（典型值為100ns）。從圖3中可以看出，在一個(gè)自動(dòng)重起動(dòng)周期內(nèi)，I會(huì)無限增大，這是因?yàn)橛蒭=L·di/dt可解得i=te/L＋ioff。如果I的值足夠大，就會(huì)造成輸出MOSFET所承受的重復(fù)沖擊應(yīng)力過大而擊穿，這是不允許的。所以，TOPWwitch要求其自動(dòng)重起動(dòng)只在很短的一段時(shí)間內(nèi)工作，一般取典型值為12.5％的自動(dòng)重起動(dòng)占空比，以減少重復(fù)沖擊應(yīng)力的次數(shù)。

圖4PWM比較器 [!--empirenews.page--]

圖5開關(guān)管電壓裕量配置選擇

　?。?）電磁干擾

　　研制開關(guān)電源，電磁干擾是一個(gè)令人棘手的問題。主要的電磁干擾源經(jīng)常是dv/dt非常大的開關(guān)管的漏極及散熱器。而常規(guī)的開關(guān)管與金屬底座相連接的恰恰是漏級(jí)，因此就產(chǎn)生了強(qiáng)烈的電磁干擾。如果采用TOPSwitch開關(guān)方案，就能很好地解決此問題。這是因?yàn)門OPSwitch系列器件采用了源極與外殼相連，使金屬底座及散熱器的dv/dt=0，從而降低了電磁干擾，收到了較好的效果。

　?。?）電壓型控制方式與逐周峰值電流限制

　　一些文獻(xiàn)把TOPSwitch看成是一種電流型控制方式的脈寬調(diào)制開關(guān)，這是不正確的。因?yàn)槿鐖D4所示，脈寬調(diào)制比較器的輸入分別是振蕩器輸出的鋸齒波電壓和電壓誤差放大器輸出的電壓信號(hào)。因此，TOPSwitch應(yīng)該是電壓型控制方式。

　　此外，某些參考文獻(xiàn)中所述的TOPSwitch為逐周電流限制工作方式的說法有誤，應(yīng)為逐周峰值電流限制。因?yàn)橄蘖鞅容^器的閾值是固定的，其限制值為Vlim/RDS(on)，隨著結(jié)溫的上升，輸出MOSFET的RDS(on)將增大，而Vlim=VDS(on)是一個(gè)額定值，由VDS(on)=RDS(on)Ilim可知RDS(on)增大，Ilim必然減小，使MOSFET的導(dǎo)通損耗p=I2lim·RDS(on)下降，減小了MOSFET的發(fā)熱。

3設(shè)計(jì)中需注意的問題

　　TOPSwitch系列器件可應(yīng)用于許多不同結(jié)構(gòu)的電源，如正向、反激、升壓或反向拓樸等結(jié)構(gòu)。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，最關(guān)鍵的問題是變壓器的設(shè)計(jì)，即如何求得一個(gè)最佳電感值的變壓器，使TOPSwitch得到充分利用。這里以輸入電壓為220V±20％AC的反激式開關(guān)電源為例予以說明。

　　如圖5所示，若反沖電壓VOR=135V，此時(shí)取最大占空比Dmax=0.4，在最大輸入電壓Vmax=375V時(shí)，考慮到漏感產(chǎn)生的電勢(shì)100V和反向阻斷二極管正向恢復(fù)電壓20V，有VDSmax=100＋135＋375＋20=630V，相應(yīng)的電壓裕量=700－630=70V，足以滿足設(shè)計(jì)要求，如果按TOPSwitch數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出的Dmax=0.6進(jìn)行設(shè)計(jì)，則在最小輸入電壓Vmin=250V時(shí)，求得反沖電壓VOR=DVmin/(1－D)=375V此時(shí)，VDSmax=100＋250＋375＋20=745V大于700V，這是設(shè)計(jì)所不允許的。

　　又由平均輸出功率PO等于輸入電壓與平均電流之積，即PO=UI=Vmin·0.5ImaxDmaxη，得到PO/Imax=40W/A（其中，Dmax取0.4，η取0.8）。若取PO/Imax=30W/A，求得Imax=PO/30W/A，由公式L=Eton/Ilim即可求得所需電感值。其中限流值Ilim=(1.1～1.2)Imax，ton=DT（T為開關(guān)周期）。因此，電感值過小會(huì)出現(xiàn)輸出功率達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，電感值過大也會(huì)出現(xiàn)這種情況，而且很可能由于出現(xiàn)電流連續(xù)的工作狀態(tài)而導(dǎo)致電壓尖峰增加的現(xiàn)象。

4結(jié)語(yǔ)

　　TOPSwitch是一種簡(jiǎn)捷的SMPS設(shè)計(jì)方案。當(dāng)完全透徹地理解該產(chǎn)品的特性以后，就能夠充分利用它設(shè)計(jì)出性能更加優(yōu)越的開關(guān)電源。