單片開關電源原理及應用

1前言

開關電源自20世紀70年代開始應用以來，涌現出許多功能完備的集成控制電路，使開關電源電路日益簡化，工作頻率不斷提高，效率大大提高，并為電源小型化提供了廣闊的前景。三端離線式脈寬調制單片開關集成電路TOP(Threeterminaloffline)將PWM控制器與功率開關MOSFET合二為一封裝在一起，已成為開關電源IC發展的主流。采用TOP開關集成電路設計開關電源，可使電路大為簡化，體積進一步縮小，成本也明顯降低。

2TOP開關結構及工作原理

2.1結構

TOP開關集各種控制功能、保護功能及耐壓700V的功率開關MOSFET于一體，采用TO220或8腳DIP封裝。少數采用8腳封裝的TOP開關，除D、C兩引腳外，其余6腳實際連在一起，作為S端，故仍系三端器件。三個引出端分別是漏極端D、源極端S和控制端C。其中，D是內裝MOSFET的漏極，也是內部電流的檢測點，起動操作時，漏極端由一個內部電流源提供內部偏置電流。控制端C控制輸出占空比，是誤差放大器和反饋電流的輸入端。在正常操作時，內部的旁路調整端提供內部偏置電流，且能在輸入異常時，自動鎖定保護。源極端S是MOSFET的源極，同時是TOP開關及開關電源初級電路的公共接地點及基準點。

2.2工作原理

TOP包括10部分，其中Zc為控制端的動態阻抗，RE是誤差電壓檢測電阻。RA與CA構成截止頻率為7kHz的低通濾波器。主要特點是：

（1）前沿消隱設計，延遲了次級整流二級管反向恢復產生的尖峰電流沖擊；

（2）自動重起動功能，以典型值為5％的自動重起動占空比接通和關斷；

（3）低電磁干擾性（EMI），TOP系列器件采用了與外殼的源極相連，使金屬底座及散熱器的dv/dt=0，從而降低了電壓型控制方式與逐周期峰值電流限制;

（4）電壓型控制方式與逐周期峰值電流限制。

下面簡要敘述一下：

（1）控制電壓源

控制電壓Uc能向并聯調整器和門驅動極提供偏置電壓，而控制端電流Ic則能調節占空比。控制端的總電容用Ct表示，由它決定自動重起動的定時，同時控制環路的補償，Uc有兩種工作模式，一種是滯后調節，用于起動和過載兩種情況，具有延遲控制作用；另一種是并聯調節，用于分離誤差信號與控制電路的高壓電流源。剛起動電路時由DC極之間的高壓電流源提供控制端電流Ic，以便給控制電路供電并對Ct充電。

（2）帶隙基準電壓源

帶隙基準電壓源除向內部提供各種基準電壓之外，還產生一個具有溫度補償并可調整的電流源，以保證精確設定振蕩器頻率和門極驅動電流。

（3）振蕩器

內部振蕩電容是在設定的上、下閾值UH、UL之間周期性地線性充放電，以產生脈寬調制器所需要的鋸齒波（SAW），與此同時還產生最大占空比信號(Dmax)和時鐘信號(CLOCK)。為減小電磁干擾，提高電源效率，振蕩頻率（即開關頻率）設計為100kHz，脈沖波形的占空比設定為D。

（4）放大器

誤差放大器的增益由控制端的動態阻抗Zc來設定。Zc的變化范圍是10Ω～20Ω，典型值為15Ω。誤差放大器將反饋電壓UF與5.7V基準電壓進行比較后，輸出誤差電流Ir，在RE上形成誤差電壓UR。

（5）脈寬調制器（PWM）

脈寬調制器是一個電壓反饋式控制電路，它具有兩層含義。第一、改變控制端電流Ic的大小，即可調節占空比D，實現脈寬調制。第二、誤差電壓UR經由RA、CA組成截止頻率為7kHz的低通濾波器，濾掉開關噪聲電壓之后，加至PWM比較器的同相輸入端，再與鋸齒波電壓UJ進行比較，產生脈寬調制信號UB。

（6）門驅動級和輸出級

門驅動級（F）用于驅動功率開關管(MOSFET)，使之按一定速率導通，從而將共模電磁干擾減至最小。漏蒼吹紀ǖ繾櫨氬品型號和芯片結溫有關。MOSFET管的漏蒼椿鞔┑繆U(bo)ds≥700V。

（7）過流保護電路

過流比較器的反相輸入端接閾值電壓ULIMIT，同相輸入端接MOSFET管的漏極。此外，芯片還具有初始輸入電流限制功能。剛通電時可將整流后的直流限制在0.6A或0.75A。

（8）過熱保護電路

當芯片結溫TJ>135℃時，過熱保護電路就輸出高電平，將觸發器Ⅱ置位，Q=1，Q=0，關斷輸出級。此時進入滯后調節模式，Uc端波形也變成幅度為4.7V～5.7V的鋸齒波。若要重新起動電路，需斷電后再接通電源開關；或者將控制端電壓降至3.3V以下，達到Uc(reset)值，再利用上電復位電路將觸發器Ⅱ置零，使MOSFET恢復正常工作。

（9）關斷/自起動電路

一旦調節失控，關斷/自動重起動電路立即使芯片在5％占空比下工作，同時切斷從外部流入C端的電流，Uc再次進入滯后調節模式。倘若故障己排除，Uc又回到并聯調節模式，自動重新起動電源恢復正常工作。自動重起動的頻率為1.2Hz。

圖1TOP開關內部工作原理框圖