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利用TOP Switch设计的开关电源

时间:03-15 来源:互联网 点击:
1 引言

  TOP Switch(Three Terminal Off-line PWM Switch)是PI(Power Integration)公司最先研制成功的三端隔离式脉宽调制单片开关电源集成电路,其第一代产品以1994年问世的TOP100/200系列为代表,第二代则是1997年推出的TOP-Ⅱ(221~227)系列,而新推出的TOP-GX系列(24X),除了功率继续有所增大之外,更是在前两代产品的基础上增加了不少功能,故可以看作第三代产品。本文以其第一、二代产品为例,介绍其特点、原理及应用。


2 TOP Switch集成芯片介绍

2.1 特点与优点

  TOP Switch将MOSFET与整套PWM控制系统集成在一个单片集成器件内,内部包含了MOSFET、PWM发生器、驱动电路、自动偏置电路、保护电路、高压启动电路和环路补偿电路等。
由于它已经将电路各个功能部分都集成在片子内部,所以与常规的分立元件组成的电路相比,它有着以下明显优势。

  1)电路结构简单,效率高。它只有三个输出控制端,利用简单的外围器件就可以完成一个开关电源的控制功能,使电路结构得以简化,体积减小,提高可靠性。并且把驱动和开关器件集成在一个片子内部,有利于提高效率和功率密度。

  2)TOP Switch内部有一个高压小容量的N-MOSFET输出管,该管具有导通电阻小、导通速度可以控制等特点,因而可以减小开关电压变化率,进而减小EMI。

  3)片子内部集成了脉冲前沿中断检测电路、输入欠压封锁电路、输出过压保护电路、关机自动恢复工作电路等保护电路,可以避免因各种故障引起的不良后果。

2.2 外部封装和引脚功能

  前两代产品都采用图1所示的TO-220或DIP/SMD-8的封装形式。其中,后者可以根据引脚功能而简接成同TO-220封装一样的3个引脚的形式,即只有D(漏极)、S(源极)和C(控制极)


简接成同TO-220封装一样的3个引脚的形式,即只有D(漏极)、S(源极)和C(控制极)三个功能引脚。其中,1~3脚的S内部相连,作为信号地,接旁路电容的负极。6~8脚的S在片子内部也是相连的,是高压返回端(HV RTN),即功率地。在布置电路时,应该将他们安排在地线区域的不通位置上,这样可以避免主电路的大电流流过功率地线时对控制端产生影响。

  漏极引脚(Drain):该引脚是输出MOSFET的漏极连接端。漏-源击穿

。开关电源开始工作时,它通过内部开关型高压电流源提供偏置电流。该引脚也是TOP Switch内部电流检测点,使用中,接功率变压器原边绕组的一端,绕组的另一端接主电路整流器输出的正极。

  控制引脚(Control):反馈电流和误差放大器的输入信号从该引脚输入,从而可以实现占空比调节。控制电流Ic的大小与占空比D成反比。当Ic从6.0mA减小到2.0mA时,D就从1.7%增至67%,比例数即为脉宽调制增益:


在正常使用中,C接到输出反馈。控制电压Vc的典型值为5.7V,极限值Vcm=7.0V,控制端最大允许电流Icm=100mA。

  源极引脚(Source):输出MOSFET的源极连接端。开关电源一次主电路的公共接地点和基准点。使用中,接主电路整流电源的负极。

2.3 内部结构


图2 TOP Switch内部图框


  TOP Switch的内部框图如图2所示,它主要包括10个部分:

  控制电压源(Vc)-—控制电压Vc可以向并联调整器和门驱动级提供偏压,而控制端电流Ic则能调节占空比。电路刚上电启动时,高压电流源通过开关S提供控制端电流Ic,以便给控制电路供电,并对Cr充电。当Vc首次充电达到5.7V时,S关断,高压直流源被断开,PWM发生器和功率MOSFET开始工作。此后,Ic由反馈电路供电。

  带隙基准电压源—-给内部提供各种基准电压,同时还可产生一个具有温度补偿并可调整的电流源,来精确设定振荡器的频率和门驱动电流。

  振荡器(Oscillator)-—产生锯齿波(SAW)、最大占空比信号(Dmax)和时钟信(CLOCK)。振荡频率内部已设定为100kHz,这有利于减小EMI和提高电源效率。

  并联调整器/误差放大器(Shunt Regulator/Error Amplifier)--并联调整器的作用是当加到C端的反馈电流超过所需要的电流值时,就通过并联调整器就行分流,以确保Vc=5.7V(典型值)。误差放大器将反馈电压与5.7V的基准电压进行比较,控制输出误差电流Ifb,当Ifb流过电阻Re之后,形成一个误差电压送到PWM调制器,从而调节PWM信号的占空比。

  脉宽调制器(PWM Comparator)—-通过改变控制端电流IC的大小,可连续调节脉冲占空比,实现脉宽调制。同时,它正输入端的R、C组成截止频率为7kHz低通滤波器能虑掉开关噪声电压。
门极驱动级和输出级(Control Turn-on Gate Driver)-—用于驱动N沟道MOSFET,使其按照内部设定的开关频率工作。

  过流保护电路——利用MOSFET的漏-源通态电阻Rds.on来检测过流信号。片子内部将Rds.on上产生的压降Vds.on与一个参考电压Vlimit作比较。当Id过大时,Vds.on也随之上升。如果Vds.on>Vlimit,过流比较器将会翻转,进而发出信号使MOSFET关断,起到过流保护作用。片子在设计时,还对Vlimit进行了温度补偿,以消除因Rds.on随温度变化而引起的Vds.on的波动。
过热保护及上电复位电路(Thermal Shutdown Power-up Reset)-—当片子的结温达到135 时,过热保护电路就输出高电平,将RS触发器的Q端置“1”,进而关断输出级。

  关断/自动重启电路(Shutdown/Auto-restart)—-当调节失效时,立即使片子在5%的低占空比下工作,同时切断从外部流入控制端的电流Ic。如果故障已经排除,就自动重启动,回复到正常工作状态。自动重启的频率为1.2Hz(当Cr为47uF时)。

  高压直流源——在启动或是滞后调节模式下,该电流源通过电子开关S给内部电路提供偏置电流,并且对Cr进行充电以启动电路。电源正常工作时开关S改接内部电源,高压直流源被旁路掉。
3 利用TOP Switch组成的开关电源

  如前所述,由于TOP Switch已经将很多功能集成在片子内部,所以很容易利用它组成各种小功率的功率变换电路,如Flyback, Forward, Boost,Buck等等。下面以图3所示的7.5V、15W开关稳压电源为例来说明TOP Switch在开关电源中的典型应用。

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