TOPSwitch GX系列第四代单片开关电源的原理分析

TOPSwitchGX系列是美国PowerIntegrations公司继TOPSwitchFX之后，于2000年底新推出的第四代单片开关电源集成电路，并将作为主流产品加以推广。下面详细阐述TOPSwitchGX的性能特点、产品分类和工作原理。

1TOPSwitchGX的性能特点及产品分类

1.1性能特点

（1）该系列产品除具备TOPSwitchFX系列的全部优点之外，还将最大输出功率从75W扩展到250W，适合构成大、中功率的高效率、隔离式开关电源。

（2）采用TO2207C封装的TOP242～TOP249产品，新增加了线路检测端（L）和从外部设定极限电流端（X）这两个引脚，用来代替TOPSwitchFX的多功能端（M）的全部控制功能，使用更加灵活、方便。

（3）将开关频率提高到132kHz，这有助于减小高频变压器及整个开关电源的体积。

（4）当开关电源的负载很轻时，能自动将开关频率从132kHz降低到30kHz（半频模式下则由66kHz降至15kHz），可降低开关损耗，进一步提高电源效率。

（5）采用了被称作EcoSmart的节能新技术，显著降低了在远程通／断模式下芯片的功耗，当输入交流电压是230V时，芯片功耗仅为160mW。

1.2产品分类

根据封装形式和最大连续输出功率的不同，TOPSwitchGX系列可划分成三大类、共14种型号，详见表1。型号中的后缀P、G、Y分别表示DIP8B、SMD8B、TO2207C封装。

表1TOPSwitchGX的产品分类及最大连续输出功率POM

TOPSwitchGX的引脚排列如图1所示。其中，TO2207C封装有6个引出端，它们分别是控制端C，线路检测端L，极限电流设定端X，源极S，开关频率选择端F，漏极D。利用线路检测端（L）可实现四种功能：过压（OV）保护；欠压（UV）保护；电压前馈（当电网电压过低时用来降低最大占空比）；远程通／断（ON／OFF）和同步。而利用极限电流设定端（X），可从外部设定芯片的极限电流。DIP8B和SMD8B封装仍保留多功能端M，并未设置开关频率选择端F，故等效于四端器件。其余引脚功能与TOPSwitchFX相同。

图1TOPSwitchGX的引脚排列(a)TO2207C封装(b)DIP8B和SMD8B封装

图2TOPSwitchGX的内部框图

3TOPSwitchGX的工作原理

采用Y封装的TOPSwitchGX系列产品，其内部框图如图2所示。电路主要由18部分组成：

（1）控制电压源；

（2）带隙基准电压源；

（3）频率抖动振荡器；

（4）并联调整器／误差放大器；

（5）脉宽调制器（含PWM比较器和触发器）；

（6）过流保护电路；

（7）门驱动级和输出级；

（8）具有滞后特性的过热保护电路；

（9）关断／自动重起动电路；

（10）高压电流源；

（11）软起动电路；

（12）欠压比较器；

（13）电流极限比较器；

（14）线路比较器；

（15）线路检测端和极限电流设定端的内部电路；

（16）轻载时自动降低开关频率的电路；

（17）停止逻辑；

（18）开启电压为1V的电压比较器。

它与TOPSwitchFX的主要区别为：新增加了第（16）、（17）、（18）项单元电路；给电流极限调节器也增加了软起动输出端；将频率抖动振荡器产生的开关频率提升到132kHz（全频模式）或66kHz（半频模式）；给频率抖动振荡器增加了一个“停止逻辑”（STOPLOGIC）电路，使之工作更为可靠。TOPSwitchGX的工作原理仍然是利用反馈电流IC来调节占空比D，达到稳压目的。举例说明，当输出电压VO降低时，经过光耦反馈电路使得IC减小，占空比则增大，输出电压随之升高,最终使VO维持不变。

TOPSwitchGX与TOPSwitchFX的性能比较，详见表2。下面重点阐述TOPSwitchGX新增功能电路的原理。

3.1轻载时自动降低开关频率的电路

对TOPSwitchGX而言，开关频率及占空比能随输出端负载的降低而自动减校其减小量与控制端流入的电流成反比。当控制端电流逐渐增大时，占空比能线性地减少到10％，但是当负载很轻时，占空比可低于10％。与此同时，开关频率也减少到最小值，以提高开关电源在轻载下的效率。当开关频率的正常值（即典型值）为132kHz时，频率最小值为30kHz，在半频模式下开关频率正常值为132kHz／2=66kHz，此时频率最小值就降至15kHz。该特性能保证开关电源在轻载时，仍保持良好的调节功能，并且降低了电源的开关损耗。开关频率f和占空比D与控制端电流IC