三端單片開關(guān)電源TOP412/414的原理與應用

摘要：三端單片開關(guān)電源TOP412/414是美國Powergration公司生產(chǎn)的將PWM控制器和MOSFET功率開關(guān)集成在一起的一體化集成控制芯片。本文介紹了該芯片的性能特點和工作原理，給出了典型的應用電路。

關(guān)鍵詞：TOPSwitch 脈寬調(diào)制 單片開關(guān)電源 TOP412/414

1 引言

TOPSwitch412/414系列器件是美國Powergration公司生產(chǎn)的三端隔離式脈寬調(diào)制單片開關(guān)電源集成電路。該器件將PWM集成電路和MOSFET功率器件集成在同一芯片中，并具備PWM型開關(guān)穩(wěn)壓電源所需的全部功能。同時，它還含有通態(tài)可控柵極驅(qū)動電路、高壓N溝道關(guān)場效應管、12kHz振蕩器。電路型PWM調(diào)制器、高壓啟動偏置電路、帶隙基準、用于環(huán)路補償?shù)牟⒙?lián)調(diào)整器、誤差放大器和故障保護等功能。該器件通過高頻變壓器使輸出端與電網(wǎng)完全隔離，從而實現(xiàn)了無功頻變壓器隔離的開關(guān)電源的單片集成化。TOPSwitch412/414采用SMD-8封裝方式，使用6個管腳將熱量直接傳到電路板上，因而可減少散熱裝置的成本。

采用TOPSwitch412/414的開關(guān)電源與采用分立的MOSFET功率開關(guān)器件及PWM控制器的開關(guān)電源相比，具有以下優(yōu)點：

●成本低廉；

●系統(tǒng)效率高；

●設計簡單；

●具有系統(tǒng)級故障保護功能；

●具有較強的應用靈活性；

2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

TOPSwitch412/414采用SMD-8型封裝形式，8個引腳可簡化為3個管腳，即源極S、漏極D和控制極C。其中，源極實際上就是連接內(nèi)部MOSFET的源極，是初級電路的公共點，同時也是電源回流的基準點。漏極即是連接內(nèi)部MOSFET的漏極，電路啟動時，可通過內(nèi)部高壓開關(guān)電流源提供內(nèi)部偏置電流。

芯片中的控制極是誤差放大電路和控制占空比反饋電流的輸入端。在正常工作時，由內(nèi)部并聯(lián)調(diào)整器提供內(nèi)部偏流。系統(tǒng)關(guān)閉時，可激發(fā)輸入電流、也可作為提供旁路、自動重起和補償功能的電容連接點。

TOPSwitch412/414的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其內(nèi)部電路的功能如下：

控制電壓源：由控制電壓Vc向并聯(lián)調(diào)整器和門驅(qū)動極提供偏壓，同時控制端電流Ic調(diào)節(jié)占空比。

帶隙基準電壓源：帶有溫度補償?shù)膸镀錅孰妷河糜趦?nèi)部各電路提供各種基準電壓和產(chǎn)生MOSFET門極驅(qū)動電流。

振蕩器：內(nèi)部振蕩器可通過內(nèi)部電容器在兩個電壓范圍內(nèi)線性地充放電來產(chǎn)生脈寬調(diào)制比所需的鋸齒波。振蕩頻率固定為120kHz，這在電源中有助于減少EMI和提高效率。

PWM調(diào)制器：通過改變控制端電流Ic的大小可改變電阻RE的電壓降，并經(jīng)RC濾波后由PWM比較器與鋸齒波進行比較，以產(chǎn)生PWM脈寬調(diào)制信號來驅(qū)動MOSFET管。其脈寬與控制端的電流Ic成反比關(guān)系。

柵極驅(qū)動電路：柵極驅(qū)動電路可按照一定速率導通MOSFET，以減少EMI。為提高精度，柵極驅(qū)動也可實現(xiàn)逐周電流限制。

誤差放大器：誤差放大器的同相端接帶隙基準電壓源提供的精密其準電壓。反相端接控制極反饋電壓，其增益由控制極的動態(tài)阻抗決定。

過流保護：該器件利用MOSFET的漏一源極通態(tài)電阻來作為傳感器電阻檢測電流。這樣，當漏極電流過大時，關(guān)斷MOSFET可實現(xiàn)過流保護。

關(guān)閉/自動重啟電流：為減少功耗，在電路超過調(diào)整狀態(tài)時，關(guān)斷/自動重啟電路以5%的占空比接通和關(guān)斷電源。在故障排除后又將自動重新啟動電源以恢復正常工作。

保護電路：當芯片結(jié)溫超過145℃時，輸出關(guān)斷級，另外，TOPSwitch412/414還具有欠壓和過流保護等功能。

3 基本工作原理

開漏極輸出的TOPSwitch芯片是一個自偏置、自保護的電流一占空比線性控制轉(zhuǎn)換器。控制極電壓Uc可為控制器和驅(qū)動器提供偏置電壓或供電。在控制極的源極之間并聯(lián)一個外部旁路電容即可為接到控制極上所有的電容CT設定關(guān)斷/自動重啟的時間。

啟動時，接在漏極和源極之間內(nèi)部高壓電流源向控制極充電，因為可通過控制極外接的電容充電過程來實現(xiàn)電路的軟啟動。當Uc達到5.7V，內(nèi)部高壓電流源關(guān)閉，此時由反饋控制電流向Uc供電。在正常工作階段，由外界電路構(gòu)成電壓負反饋控制環(huán)，調(diào)節(jié)輸出級MOSFET的占空比以實現(xiàn)穩(wěn)壓。當輸出電壓升高時，Uc升高，采樣電阻RE上的誤差電壓亦升高。而在與鋸齒波比較后，將使輸出電壓的占空比減小，從而使開關(guān)電源的電壓減小。當控制極電壓低于4.7V時，MOSFET管關(guān)閉，控制電路處于小電流等待狀態(tài)，內(nèi)部高壓電流源重新接通并向Uc充電。其關(guān)斷/自動重啟滯回比較器可使Uc保護在4.7～5.7V之間。圖2所示是其運行波形，其中a圖為正常運行波形，b圖為自動重啟波形。

自動重啟電路具一個八分頻計數(shù)器，可以阻止輸出級MSOFET再次導通，直到領(lǐng)先個放電一充電周期完成為止。因此，在自動重啟期間，占空比控制在5%左右可有效地限制芯片的功耗。

4 典型應用

圖3是一個應用TOPSwitch414設計的5V/2A的開關(guān)穩(wěn)壓電源，其輸入電壓范圍為36～72VDC。

在變壓器原邊并聯(lián)的VR1和D1為緩沖電路，用以消除變壓器原邊關(guān)斷瞬間形成的反向電壓，C3～C6與L1組成π型高頻濾波器。線性光耦合器PC317和可調(diào)精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431為其提供閉環(huán)負反饋回路。當+5V電壓發(fā)生變化時，經(jīng)電阻R3、R4分壓后得到取樣電壓與TL431提供的2.5V電壓進行比較形成的誤差電壓將使LED的工作電流產(chǎn)生相應的變化，并通過光耦U2改變控制極電流Ic的大小，調(diào)節(jié)TOPSwitch414的輸出占空比可使電源輸出電壓維持不變，以達到穩(wěn)壓的目的。