基于TOPSwitch的超寬輸入隔離式穩(wěn)壓開關電源

摘要：介紹了單片開關電源芯片TOPSwitch的結構及工作原理，給出了超寬輸入隔離式穩(wěn)壓開關電源的完整應用電路實例，并對設計和制作過程中的一些注意事項進行了說明。

關鍵詞：隔離；寬輸入；開關電源

0    引言

    開關電源（Switching Power Supply）自問世以來，就以其穩(wěn)定、高效、節(jié)能等優(yōu)良性能而成為穩(wěn)壓電源的主要產(chǎn)品。而高度集成化的單片開關電源，更是因其高性價比、簡單的外圍電路、小體積與重量和無工頻變壓器隔離方式等優(yōu)勢而成為穩(wěn)壓電源中的佼佼者。隨著各種不同的單片開關電源芯片及其電路拓撲的應用和推廣，單片開關電源越來越體現(xiàn)出巨大的實用價值和美好前景。但是，TOPSwitch通常允許的輸入電壓變化范圍為120～370V，本文嘗試用它制作更寬輸入電壓變化范圍（80～550V）的穩(wěn)壓電源。實驗結果證明是很成功的。

1    芯片結構及穩(wěn)壓原理

    近十幾年來，美國電源集成公司（PI）、摩托羅拉公司（Motorola）、意－法半導體公司（SGS－Thomson）、美國Onsemi公司等相繼推出了TOPSwitch，MC，L4970，NCP1000等不同系列的單片開關電源產(chǎn)品。由于TOPSwitch系列產(chǎn)品性能穩(wěn)定，價格實惠，故本文選擇該系列中的一種芯片為核心設計制作了一種輸入范圍極寬的穩(wěn)壓電源。該電源輸入直流電壓范圍為80～550V，輸出直流電壓20V，輸出功率20W。

    TOPSwitch不論是三腳封裝，還是DIP-8或SMB-8封裝，其實質(zhì)都是三端器件，分別為控制端C(Control)、源極S(Source)、漏極D(Drain)?？刂贫说闹饕饔檬?，根據(jù)其電流Ic來自動調(diào)節(jié)占空比，當Ic變化時，占空比就在一定范圍內(nèi)變化。源極S與芯片內(nèi)部功率MOS管源極相連，并作為初級電路的公共地。漏極D與芯片內(nèi)部功率MOS管的漏極相連。

    TOPSwitch主要包括控制電壓源、高壓電流源、關斷/自動重啟動電路、并聯(lián)調(diào)整器/誤差放大器、帶隙基準電壓源、過熱保護及上電復位電路、過流保護電路、振蕩器、脈寬調(diào)制器、門驅(qū)動級和輸出級等10個部分。其內(nèi)部結構框圖如圖1所示。

圖1    TOPSwitch內(nèi)部結構框圖

    TOPSwitch的額定開關頻率為100kHz，允許工作范圍90～110kHz。

    TOPSwitch的穩(wěn)壓原理是通過反饋電流（即控制端電流）Ic來自動調(diào)節(jié)占空比，從而實現(xiàn)穩(wěn)壓。例如，當輸出電壓上升時，反饋電流隨之上升，占空比呈反向變化而下降，導致輸出電壓也隨之下降，從而保證輸出電壓的穩(wěn)定。反之亦然。

2    電路圖及工作原理

    由TOPSwitch構成的單片開關電源如圖2所示，是典型的單端反激式開關電源。

圖2    由TOPSwitch構成的20W穩(wěn)壓開關電源  [!--empirenews.page--]

    圖2中T為三繞組高頻變壓器，工作頻率為100kHz。3個繞組分別為：Np原邊繞組（65匝）；Ns副邊繞組（即輸出繞組，13匝）；Nf反饋繞組（8匝）；各繞組同名端在圖2中已標出。變壓器中能量傳遞過程為：當TOPSwitch中的功率MOSFET導通時，變壓器原邊繞組儲存能量；當功率MOSFET關斷時，原邊繞組中儲存的能量傳遞給副邊繞組和反饋繞組，經(jīng)高頻整流濾波后即可提供直流輸出電壓和反饋電壓。

    DZ1，D1和R1，C2組成了漏極箝位電路和能量吸收回路，用以限制TOPSwitch漏極因高頻變壓器的漏感而可能產(chǎn)生的尖峰電壓。DZ1選用P6KE200A型瞬態(tài)電壓抑制器（TVS），其反向擊穿電壓為200V。D1選用MUR160型超快恢復二極管，其最大反向耐壓值為600V。由于TOPSwitch的漏—源極最小擊穿電壓為700V，而當其功率MOSFET關斷時，變壓器原邊的直流輸入電壓、原邊繞組的感應電壓以及由變壓器的漏感而產(chǎn)生的尖峰電壓，三者疊加在一起，其值可能超過700V，故必須在TOPSwitch的漏極增加箝位電路和吸收電路，用以保護功率MOSFET不被損壞。

    C3為TOPSwitch控制端的旁路電容，其作用是對控制電路進行補償，并能設定自動重啟動頻率。電路中所選參數(shù)值已將自動重啟動頻率設定為1.2Hz。

    D2及D3為高頻輸出整流二極管，其中D2為MUR420型超快恢復二極管，其最大反向工作電壓為200V，額定整流電流為4A；D3為1N4148型玻封高速開關二極管，其最大反向工作電壓75V，平均整流電流150mA。

    L1為濾波電感，其值約為20μH，是由非晶合金磁性材料制成的穿心電感，俗稱“磁珠”。其作用是濾除D2在反向恢復過程中產(chǎn)生的開關噪聲。

    DZ2及DZ3為穩(wěn)壓管，型號為2CW346。IC2為線性光耦合器，型號為PC817A，其內(nèi)部發(fā)光二極管的導通壓降約為1V，正常工作電流If約為1～5mA，其直流電流傳輸比為80％～160％。

    輸出電壓由兩只穩(wěn)壓管電壓、PC817A中發(fā)光二極管的導通壓降以及電阻R4上壓降三者之和而確定，故改變R4的大小，就能改變（精確調(diào)節(jié)）輸出電壓的設定值，同時也能改變控制電路的增益，即改變控制電路的放大倍數(shù)。對于不同的輸出電壓要求，只須改變穩(wěn)壓管和限流電阻R4的大小即可。如前所述，輸出電壓Vo的穩(wěn)壓過程為：Vo↑（↓）→VR4↑（↓）→If↑（↓）→Ic↑（↓）→占空比↓（↑）→Vo↓（↑）。

3    實驗結果

    該穩(wěn)壓電源的實驗波形如圖3～圖8所示。當輸入如圖3所示，為Vi=80V時，輸出電壓vo如圖4所示（平均值Vo=19.8V），此時TOPSwitch的漏源電壓vDS波形如圖5所示。當輸入電壓如圖6所示，Vi=550V時，輸出電壓vo如圖7所示（平均值Vo=20.3V），此時TOPSwitch的漏源電壓vDS波形如圖8所示。實驗數(shù)據(jù)如表1所列。為了說明限流電阻R4對輸出的影響，現(xiàn)將不同的R4值所對應的輸出電壓列在表2中。

圖3    Vi波形（Vi=80V，100V/格）

圖4    vo波形（Vo=19.8V，5V/格）

圖5    vDS波形（Vi=80V，50V/格）

圖6    Vi波形（Vi=550V，200V/格）

圖7    vo波形(Vo=20.3V，10V/格) [!--empirenews.page--]

圖8    vDS波形（Vi=550V，200V/格）

表1    輸出電壓與輸入電壓的關系表（R4=400Ω，Po=20W）

表2    輸出電壓與電阻R4的關系表（Vi=200V，Po=20W）

    從表1中可以看出，該穩(wěn)壓電源雖然輸入范圍很寬，但其輸出電壓的穩(wěn)定性卻是相當高的，這對于某些特殊的應用場合還是很有價值的。

    在實際設計、使用該電源時，須注意如下事項：

    1）若輸入為交流，則在變壓器輸入側(cè)增加相應的整流、濾波環(huán)節(jié)。若無濾波環(huán)節(jié)或濾波效果太差，都將導致電源無法正常工作；

    2）繞制高頻變壓器時，應將原邊繞組繞在最里層，反饋繞組居中，副邊繞組在最外邊，各繞組應均勻分布，同時繞組之間應采用絕緣膠帶進行絕緣；

    3）焊接TOPSwitch時，應使其引腳盡可能地短；

    4）TOPSwitch和MUR420須加散熱器。

4    結語

    本文所介紹的寬范圍輸入的穩(wěn)壓電源，結構簡單，性能可靠，制作成本低廉，而且產(chǎn)品體積小，重量輕，因此，具有很大的實用價值，也代表了未來電源的發(fā)展方向。