基于TOPSwitch Ⅱ的開關電源設計

1 引言

功率開關管、pwm控制器和高頻變壓器是開關電源必不可少的組成部分。傳統的開關電源一般均采用分立的高頻功率開關管和多引腳的pwm集成控制器，例如采用uc3842＋mosfet是國內小功率開關電源中較為普及的設計方法。

90年代以來，出現了pwm/mosfet二合一集成芯片，他大大降低了開關電源設計的復雜性，減少了開關電源設計所需的時間，從而加快了產品進入市場的速度。

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品。

2 topswitch ⅱ器件簡介

topswitch系列器件是三端脫線式pwm開關（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電源所必需的具有通態可控柵極驅動電路的高壓n溝道功率的mos場效應管，電壓型pwm控制器，100khz高頻振蕩器，高壓啟動偏置電路，帶隙基準，用于環路補償的并聯偏置調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的升級產品，同后者相比，內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，故設計更為方便，性能有所增強。其型號包括top221－top227，內部結構如圖1所示[1]。

topswitch ⅱ是一個自偏置、自保護的電流－占空比線性控制轉換器。由于采用cmos工藝，轉換效率與采用雙集成電路和分立元件相比，偏置電流大大減少，并省去了用于電流傳導和提供啟動偏置電流的外接電阻。

漏極 連接內部mosfet的漏極，在啟動時，通過內部高壓開關電流源提供內部偏置電流。

源極 連接內部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，由內部并聯調整器提供內部偏流。系統關閉時，可激發輸入電流，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vc給控制器和驅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，為柵極提供驅動電流，并設置自動恢復時間及控制環路的補償。在正常工作（輸出電壓穩定）時，反饋控制電流給vc供電，并聯穩壓器使vc保持在4.7v。在啟動時，控制極的電流由內部接在漏極和控制極之間的高壓開關電流源提供。控制極電容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vc保持在4.7－5.7v之間。

帶隙基準 topswitch ⅱ內部電壓取自具有溫度補償的帶隙基準電壓。此基準電壓也能產生可微調的溫度補償電流源，用來精確地調節振蕩器的頻率和mosfet柵極驅動電流。

振蕩器 內部振蕩器通過內部電容線性地充電放電，產生脈寬調制器所需的的鋸齒波電壓。為了降低emi并提高電源的效率，振蕩器額定頻率為100khz。

脈寬調制器 流入控制極的電流在re兩端產生的壓降，經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，產生脈寬調制信號，該信號驅動輸出mosfet實現電壓型控制。正常工作時，內部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[1]。

柵極驅動器 柵極驅動器以一定速率使輸出mosfet導通。為了提高精確度，柵極驅動電流還可以進行微調逐周限流。逐周限流電路用輸出mosfet的導通電阻作為取樣電阻，限流比較器將mosfet導通時的漏源電壓與閾值電壓vilimit進行比較。漏極電流過大時，漏源電壓超過閾值電壓，輸出mosfet關斷，直到下一個周期，輸出mosfet才能導通。

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阻抗設定。

系統關閉/自動重動 為了減少功耗，當超過調整狀態時，該電路將以5％的占空比接通和關斷電源。

過熱保護 當結溫超過熱關斷溫度（135℃）時，模擬電路將關斷輸出mosfet。

高壓偏流源 在啟動期間，該電流源從漏極偏置topswitch ⅱ，并對控制極外界電容ct充電。

在topswitch ⅱ系列中，top225－top227采用to－220封裝形式，而top221－top224則有to－220和dip－8，smd－8三種封裝形式，如圖3所示[1]。考慮到dip－8和smd－8的散熱情況，采用這2種封裝形式的器件輸出功能要適當降低。

3 topswitch ⅱ應用于反激式功率變換電路

在開關電源電路中，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100w以下的開關電源，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果比較簡單，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系列應用于單端反激式變換器，典型用法如圖4所示[2]。

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）的基礎上增加了穩壓管，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）基礎上增加了精密基準tl431，使得輸出穩壓精度和負載調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。

4 應用實例

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

交流電壓經整流橋v2整流和c2濾波后，產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v3為緩沖吸收電路，用以吸收top224在關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v7和c2整流濾波后產生top224所需的偏置電壓；c6能夠濾除top224內部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。

tlp431并聯穩壓器內部包含2.5v帶隙基準電壓、運算放大器和驅動器，作次級基準誤差放大器用。調節rp1可對輸出電壓實現微調。當輸出電壓受某種原因發生波動時，通過tl431等器件組成的反饋電路，改變流過光耦pc817的發光二極管的電流，從而改變流入top224控制極的電流，調整top224內部mosfet的輸出占空比，使輸出電壓重新穩壓。

5 結語

采用topswitch ⅱ器件的開關電源與采用分立的mosfet功率開關及pwm集成控制器的開關電源相比，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，故與傳統的功率開關電路相比，偏置電流顯著降低；開關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，使產品的成本和體積均大大減少；

（2）電源設計簡化

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。