基于TOPSwitchⅡ的開關(guān)電源設(shè)計

摘　要: TOPSwitch Ⅱ系列芯片是Power Integration 公司生產(chǎn)的開關(guān)電源專用集成電路,他將脈寬調(diào)制電路與高壓MOSFET 開關(guān)管及驅(qū)動電路等集成在一起,具備完善的保護功能。使用該芯片設(shè)計的小功率開關(guān)電源,可大大減少外圍電路,降低成本,提高可靠性。介紹其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理,給出幾種應(yīng)用于反激式功率變換電路的典型用法,并給出一種反激式開關(guān)電源的實用電路。

關(guān)鍵詞:開關(guān)電源; TOPSwitch Ⅱ;反激;高壓MOSFET 開關(guān)管

　引　言

     功率開關(guān)管、PWM 控制器和高頻變壓器是開關(guān)電源必不可少的組成部分。傳統(tǒng)的開關(guān)電源一般均采用分立的高頻功率開關(guān)管和多引腳的PWM 集成控制器,例如采用UC3842 + MOSFET 是國內(nèi)小功率開關(guān)電源中較為普及的設(shè)計方法。

      90 年代以來,出現(xiàn)了PWM/ MOSFET 二合一集成芯片,他大大降低了開關(guān)電源設(shè)計的復(fù)雜性,減少了開關(guān)電源設(shè)計所需的時間,從而加快了產(chǎn)品進入市場的速度。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,其中美國功率集成公司于97 年推出的三端脫線式TOPSwitch Ⅱ系列二合一集成控制器件,是該類器件的代表性產(chǎn)品。

TOPSwitch Ⅱ器件簡介

    TOPSwitch 系列器件是三端脫線式PWM 開關(guān)( Three-terminal Off-line PWM Swtich ) 的英文縮寫。TOPSwitch 系列器件僅用了3 個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,100 kHz 高頻振蕩器,高壓啟動偏置電路,帶隙基準,用于環(huán)路補償?shù)牟⒙?lián)偏置調(diào)整器以及誤差放大器和故障保護等功能全部組合在一起了。

     TOPSwitch Ⅱ系列器件是TOPSwitch 的升級產(chǎn)品,同后者相比,內(nèi)部電路做了許多改進,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)計更為方便,性能有所增強。其型號包括TOP221～ TOP227 ,內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

漏極　連接內(nèi)部MOSFET 的漏極,在啟動時,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和基準點。

控制極　誤差放大電路和反饋電流的輸入端。在正常工作時,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,可激發(fā)輸入電流,同時也是提供旁路、自動重啟和補償功能的電容連接點。

控制電壓　控制極的電壓V c 給控制器和驅(qū)動器供電或提供偏壓。接在控制極和源極之間的外部旁路電容CT ,為柵極提供驅(qū)動電流,并設(shè)置自動恢復(fù)時間及控制環(huán)路的補償。在正常工作(輸出電壓穩(wěn)定) 時,反饋控制電流給V c供電,并聯(lián)穩(wěn)壓器使V c 保持在4. 7 V。在啟動時,控制極的電流由內(nèi)部接在漏極和控制極之間的高壓開關(guān)電流源提供?？刂茦O電容CT放電至閾值電壓以下時,輸出MOSFET 截止,控制電路處于備用方式。此時高壓電流源接通,并再次給電容CT 充電。通過高壓電流源的接通和斷開,使V c 保持在4. 7～5. 7 V 之間。

帶隙基準　TOPSwitch Ⅱ內(nèi)部電壓取自具有溫度補償?shù)膸痘鶞孰妷?。此基準電壓也能產(chǎn)生可微調(diào)的溫度補償電流源,用來精確地調(diào)節(jié)振蕩器的頻率和MOSFET柵極驅(qū)動電流。

振蕩器　內(nèi)部振蕩器通過內(nèi)部電容線性地充放電,產(chǎn)生脈寬調(diào)制器所需的鋸齒波電壓。為了降低EMI 并提高電源的效率,振蕩器額定頻率為100 kHz 。[!--empirenews.page--]

脈寬調(diào)制器　流入控制極的電流在RE 兩端產(chǎn)生的壓降,經(jīng)RC 電路濾波后,加到PWM 比較器的同相輸入端,與振蕩器輸出的鋸齒波電壓比較,產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號。該信號驅(qū)動輸出MOSFET 實現(xiàn)電壓型控制。正常工作時,內(nèi)部MOSFET 輸出脈沖的占空比隨著控制極電流的增加而線性減少,如圖2 所示。

柵極驅(qū)動器　柵極驅(qū)動器以一定速率使輸出MOSFET 導(dǎo)通。為了提高精確度,柵極驅(qū)動電流還可以進行微調(diào)逐周限流。逐周限流電路用輸出MOSFET 的導(dǎo)通電阻作為取樣電阻,限流比較器將MOSFET 導(dǎo)通時的漏源電壓與閾值電壓V I L IMIT進行比較。漏極電流過大時,漏源電壓超過閾值電壓,輸出MOSFET 關(guān)斷,直到下一個周期,輸出MOSFET 才能導(dǎo)通。

誤差放大器　誤差放大器的電壓基準取自溫度補償帶隙基準電壓;誤差放大器的增益則由控制極的動態(tài)阻抗設(shè)定。

系統(tǒng)關(guān)閉/ 自動重動　為了減少功耗,當(dāng)超過調(diào)整狀態(tài)時,該電路將以5 %的占空比接通和關(guān)斷電源。

過熱保護　當(dāng)結(jié)溫超過熱關(guān)斷溫度(135 ℃) 時,模擬電路將關(guān)斷輸出MOSFET。

高壓偏流源　在啟動期間, 該電流源從漏極偏置TOPSwitch Ⅱ,并對控制極外接電容CT 充電。

在TOPSwitch Ⅱ系列中, TOP225 ～ TOP227 采用TOˉ220封裝形式,而TOP221～ TOP224 則有TOˉ220和DIPˉ8 ,SMDˉ8 三種封裝形式,如圖3 所示?？紤]到DIPˉ8 和SMDˉ8 的散熱情況,采用這2 種封裝形式的器件輸出功率要適當(dāng)降低。

TOPSwitch Ⅱ應(yīng)用于反激式功率變換電路[!--empirenews.page--]

在開關(guān)電源電路中,基本類型有5 種:單端反激式、單端正激式、推挽式、半橋式和全橋式。對于100 W 以下的開關(guān)電源,多采用單端反激式變換器,反激式功率變換電路中的變壓器,除了起隔離作用之外,還具有儲能的功能。反激式功率變換電路結(jié)構(gòu)比較簡單,輸出電壓不受輸入電壓的限制,亦可提供多路電壓輸出。TOPSwitch Ⅱ系列應(yīng)用于單端反激式變換器,典型用法如圖4 所示。

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在圖4 中, ( a) 將偏置線圈通過限流電阻直接作為TOPSwitch Ⅱ控制極的輸入; (b) 在(a) 的基礎(chǔ)上增加了穩(wěn)壓管,是( a) 的增強型; ( c) 中輸出電壓通過光耦作用于TOPSwitch Ⅱ控制極,在輸出電壓反饋精度上有所提高;(d) 在(c) 基礎(chǔ)上增加了精密基準TL431 ,使得輸出穩(wěn)壓精度和負載調(diào)整率都能獲得較高的精度。4 種變換電路的效果如表1 所示。

應(yīng)用實例

圖5 為輸入電壓為85～265 V ,輸出為15 V 的反激式開關(guān)電源實際電路。其采用圖4 中(d) 的反饋電路形式。

交流電壓經(jīng)整流橋V 2 整流和C2 濾波后,產(chǎn)生的高壓直流電壓加至變壓器一端,變壓器另一端與TOP224 的漏極相連。R9 , C8 和V 3 為緩沖吸收電路,用以吸收TOP224在關(guān)斷過程中由于變壓器漏感引起的電壓尖峰過沖。

偏置線圈經(jīng)V 7 和C2 整流濾波后產(chǎn)生TOP224 所需的偏置電壓; C6 能夠濾除TOP224 內(nèi)部MOSFET 柵極充電電流的峰值,確定重新啟動的頻率, 并與R1 , R2 一起補償控制回路。

TL P431 并聯(lián)穩(wěn)壓器內(nèi)部包含2. 5 V 帶隙基準電壓、

  運算放大器和驅(qū)動器,作次級基準誤差放大器用。調(diào)節(jié)RP1可對輸出電壓實現(xiàn)微調(diào)。當(dāng)輸出電壓受某種原因發(fā)生波動時,通過TL431 等器件組成的反饋電路,改變流過光耦PC817 的發(fā)光二極管的電流,從而改變流入TOP224 控制極的電流,調(diào)整TOP224 內(nèi)部MOSFET 的輸出占空比,使輸出電壓重新穩(wěn)壓。

結(jié)　語

采用TOPSwitch Ⅱ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:

(1) 成本低廉

TOPSwitch Ⅱ采用CMOS 工藝制作,并在芯片中集成了盡可能多的功能,故與傳統(tǒng)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啟動偏壓電流的電路均可除去,可大量減少元器件,使產(chǎn)品的成本和體積均大大減少;

(2) 電源設(shè)計簡化

TOPSwitch Ⅱ器件集成了PWM 控制器和高壓MOSFET ,只需外接一個電容就能實現(xiàn)補償、旁路、啟動和自動重啟功能;

(3) 功能完善的保護

TOPSwitch Ⅱ具有自動重啟和逐周電流限制功能,可對功率變壓器初級和次級電路的故障進行保護;其還具有過熱保護和過流保護功能,可在電路過載時有效地保護電源。