基于TOPSwitchⅡ的开关电源设计

摘　要: TOPSwitch Ⅱ系列芯片是Power Integration 公司生产的开关电源专用集成电路,他将脉宽调制电路与高压MOSFET 开关管及驱动电路等集成在一起,具备完善的保护功能。使用该芯片设计的小功率开关电源,可大大减少外围电路,降低成本,提高可靠性。介绍其内部结构和工作原理,给出几种应用于反激式功率变换电路的典型用法,并给出一种反激式开关电源的实用电路。

关键词:开关电源; TOPSwitch Ⅱ;反激;高压MOSFET 开关管

　引　言

功率开关管、PWM 控制器和高频变压器是开关电源必不可少的组成部分。传统的开关电源一般均采用分立的高频功率开关管和多引脚的PWM 集成控制器,例如采用UC3842 + MOSFET 是国内小功率开关电源中较为普及的设计方法。

90 年代以来,出现了PWM/ MOSFET 二合一集成芯片,他大大降低了开关电源设计的复杂性,减少了开关电源设计所需的时间,从而加快了产品进入市场的速度。二合一集成控制芯片多采用3 脚,4 脚,5 脚,7 脚和8 脚封装,其中美国功率集成公司于97 年推出的三端脱线式TOPSwitch Ⅱ系列二合一集成控制器件,是该类器件的代表性产品。

TOPSwitch Ⅱ器件简介

TOPSwitch 系列器件是三端脱线式PWM 开关( Three-terminal Off-line PWM Swtich ) 的英文缩写。TOPSwitch 系列器件仅用了3 个管脚就将脱线式开关电源所必需的具有通态可控栅极驱动电路的高压N 沟道功率的MOS 场效应管,电压型PWM 控制器,100 kHz 高频振荡器,高压启动偏置电路,带隙基准,用于环路补偿的并联偏置调整器以及误差放大器和故障保护等功能全部组合在一起了。

TOPSwitch Ⅱ系列器件是TOPSwitch 的升级产品,同后者相比,内部电路做了许多改进,器件对于电路板布局以及输入总线瞬变的敏感性大大减少,故设计更为方便,性能有所增强。其型号包括TOP221～ TOP227 ,内部结构如图1 所示。

漏极　连接内部MOSFET 的漏极,在启动时,通过内部高压开关电流源提供内部偏置电流。

源极　连接内部MOSFET 的源极,是初级电路的公共点和基准点。

控制极　误差放大电路和反馈电流的输入端。在正常工作时,由内部并联调整器提供内部偏流。系统关闭时,可激发输入电流,同时也是提供旁路、自动重启和补偿功能的电容连接点。

控制电压　控制极的电压V c 给控制器和驱动器供电或提供偏压。接在控制极和源极之间的外部旁路电容CT ,为栅极提供驱动电流,并设置自动恢复时间及控制环路的补偿。在正常工作(输出电压稳定) 时,反馈控制电流给V c供电,并联稳压器使V c 保持在4. 7 V。在启动时,控制极的电流由内部接在漏极和控制极之间的高压开关电流源提供。控制极电容CT放电至阈值电压以下时,输出MOSFET 截止,控制电路处于备用方式。此时高压电流源接通,并再次给电容CT 充电。通过高压电流源的接通和断开,使V c 保持在4. 7～5. 7 V 之间。

带隙基准　TOPSwitch Ⅱ内部电压取自具有温度补偿的带隙基准电压。此基准电压也能产生可微调的温度补偿电流源,用来精确地调节振荡器的频率和MOSFET栅极驱动电流。

振荡器　内部振荡器通过内部电容线性地充放电,产生脉宽调制器所需的锯齿波电压。为了降低EMI 并提高电源的效率,振荡器额定频率为100 kHz 。[p]

脉宽调制器　流入控制极的电流在RE 两端产生的压降,经RC 电路滤波后,加到PWM 比较器的同相输入端,与振荡器输出的锯齿波电压比较,产生脉宽调制信号。该信号驱动输出MOSFET 实现电压型控制。正常工作时,内部MOSFET 输出脉冲的占空比随着控制极电流的增加而线性减少,如图2 所示。

栅极驱动器　栅极驱动器以一定速率使输出MOSFET 导通。为了提高精确度,栅极驱动电流还可以进行微调逐周限流。逐周限流电路用输出MOSFET 的导通电阻作为取样电阻,限流比较器将MOSFET 导通时的漏源电压与阈值电压V I L IMIT进行比较。漏极电流过大时,漏源电压超过阈值电压,输出MOSFET 关断,直到下一个周期,输出MOSFET 才能导通。

误差放大器　误差放大器的电压基准取自温度补偿带隙基准电压;误差放大器的增益则由控制极的动态阻抗设定。

系统关闭/ 自动重动　为了减少功耗,当超过调整状态时,该电路将以5 %的占空比接通和关断电源。

过热保护　当结温超过热关断温度(135 ℃) 时,模拟电路将关断输出MOSFET。

高压偏流源　在启动期间, 该电流源从漏极偏置TOPSwitch Ⅱ,并对控制极外接电容CT 充电。

在TOPSwitch Ⅱ系列中, TOP225 ～ TOP227 采用TOˉ220封装形式,而TOP221～ TOP224 则有TOˉ220和DIPˉ8 ,SMDˉ8 三种封装形式,如图3 所示。考虑到DIPˉ8 和SMDˉ8 的散热情况,采用这2 种封装形式的器件输出功率要适当降低。

TOPSwitch Ⅱ应用于反激式功率变换电路[p]

在开关电源电路中,基本类型有5 种:单端反激式、单端正激式、推挽式、半桥式和全桥式。对于100 W 以下的开关电源,多采用单端反激式变换器,反激式功率变换电路中的变压器,除了起隔离作用之外,还具有储能的功能。反激式功率变换电路结构比较简单,输出电压不受输入电压的限制,亦可提供多路电压输出。TOPSwitch Ⅱ系列应用于单端反激式变换器,典型用法如图4 所示。

[p]
在图4 中, ( a) 将偏置线圈通过限流电阻直接作为TOPSwitch Ⅱ控制极的输入; (b) 在(a) 的基础上增加了稳压管,是( a) 的增强型; ( c) 中输出电压通过光耦作用于TOPSwitch Ⅱ控制极,在输出电压反馈精度上有所提高;(d) 在(c) 基础上增加了精密基准TL431 ,使得输出稳压精度和负载调整率都能获得较高的精度。4 种变换电路的效果如表1 所示。

应用实例

图5 为输入电压为85～265 V ,输出为15 V 的反激式开关电源实际电路。其采用图4 中(d) 的反馈电路形式。

交流电压经整流桥V 2 整流和C2 滤波后,产生的高压直流电压加至变压器一端,变压器另一端与TOP224 的漏极相连。R9 , C8 和V 3 为缓冲吸收电路,用以吸收TOP224在关断过程中由于变压器漏感引起的电压尖峰过冲。

偏置线圈经V 7 和C2 整流滤波后产生TOP224 所需的偏置电压; C6 能够滤除TOP224 内部MOSFET 栅极充电电流的峰值,确定重新启动的频率, 并与R1 , R2 一起补偿控制回路。

TL P431 并联稳压器内部包含2. 5 V 带隙基准电压、

运算放大器和驱动器,作次级基准误差放大器用。调节RP1可对输出电压实现微调。当输出电压受某种原因发生波动时,通过TL431 等器件组成的反馈电路,改变流过光耦PC817 的发光二极管的电流,从而改变流入TOP224 控制极的电流,调整TOP224 内部MOSFET 的输出占空比,使输出电压重新稳压。

结　语

采用TOPSwitch Ⅱ器件的开关电源与采用分立的MOSFET 功率开关及PWM 集成控制器的开关电源相比,具有以下特点:

(1) 成本低廉

TOPSwitch Ⅱ采用CMOS 工艺制作,并在芯片中集成了尽可能多的功能,故与传统的功率开关电路相比,偏置电流显著降低;开关电源所需的功能集成于芯片中后,外部的电流传感电阻和初始启动偏压电流的电路均可除去,可大量减少元器件,使产品的成本和体积均大大减少;

(2) 电源设计简化

TOPSwitch Ⅱ器件集成了PWM 控制器和高压MOSFET ,只需外接一个电容就能实现补偿、旁路、启动和自动重启功能;

(3) 功能完善的保护

TOPSwitch Ⅱ具有自动重启和逐周电流限制功能,可对功率变压器初级和次级电路的故障进行保护;其还具有过热保护和过流保护功能,可在电路过载时有效地保护电源。