《電子技術(shù)應用》
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TOPSwitch單片開關(guān)電源的原理與應用
沙占友
摘要: 慮及當前電源技術(shù)的發(fā)展,,單片型開關(guān)電源已開始流行,,并且具有強大的生命力,,為此我們特邀國內(nèi)著名科技圖書作者沙占友教授等撰寫這篇講座稿,,計劃連載5期,,以饗讀者,。本文也是本刊今年第6期P.271《集成穩(wěn)壓器的應用技術(shù)》講座的繼續(xù),。
Abstract:
Key words :

  單片開關(guān)電源" title="開關(guān)電源">開關(guān)電源具有單片集成化,、最簡外圍電路、最佳性能指標,、能構(gòu)成無工頻變壓器開關(guān)電源等顯著優(yōu)點,。美國動力(Power)公司在世界上率先研制成功的三端隔離式脈寬調(diào)制單片開關(guān)電源" title="單片開關(guān)電源">單片開關(guān)電源集成電路,,被譽為“頂級開關(guān)電源”。其第一代產(chǎn)品以1994年推出的TOP100/200系列為代表,,第二代產(chǎn)品則是1997年問世的TOPSwitch-Ⅱ,。上述產(chǎn)品一經(jīng)問世便顯示出強大的生命力,它極大地簡化了150W以下開關(guān)電源的設(shè)計和新產(chǎn)品的開發(fā)工作,,也為新型,、高效、低成本開關(guān)電源的推廣與普及創(chuàng)造了良好條件,,可廣泛用于儀器儀表,、筆記本電腦、移動電話,、電視機,、VCD和DVD、攝錄像機,、手機電池充電器,、功率放大器等領(lǐng)域,并能構(gòu)成各種小型化,、高密度,、在價格上能與線性穩(wěn)壓電源相競爭的AC/DC電源變換模塊。

1產(chǎn)品分類及性能特點

1.1產(chǎn)品分類

TOPSwitch包括TOP100系列(TOP100Y~TOP104Y),,TOP200系列(TOP200Y~TOP202Y,,TOP214Y),TOP209/210系列,,TOPSwitch-Ⅱ系列(TOP221~TOP227),。TOPSwitch-Ⅱ與第一代產(chǎn)品相比,它不僅在性能上進一步改進,,而且輸出功率得到顯著提高,,現(xiàn)已成為國際上開發(fā)中、小功率開關(guān)電源及電源模塊的優(yōu)選集成電路,,其產(chǎn)品分類見表1,。

表1TOPSwitch-Ⅱ的產(chǎn)品分類及最大輸出功率POM單位:W

 

TO-220封裝(Y) DIP-8封裝(P)/SMD-8封裝(G)
產(chǎn)品型號 固定輸入(110/115/230V,AC,±15%) 寬范圍" title="寬范圍">寬范圍輸入(85V~265V,AC) 產(chǎn)品型號 固定輸入(110/115/230V,AC,±15%) 寬范圍輸入(85V~265V,AC)
TOP221Y 12 7 TOP221P/221G 9 6
TOP222Y 25 15 TOP222P/222G 15 10
TOP223Y 50 30 TOP223P/223G 25 15
TOP224Y 75 45 TOP224P/224G 30 20
TOP225Y 100 60      
TOP226Y 125 75      
TOP227Y 150 90      

 

1.2性能特點

⑴將脈寬調(diào)制(PWM)控制系統(tǒng)的全部功能集成到三端芯片中。內(nèi)含脈寬調(diào)制器,、功率開關(guān)場效應管(MOSFET),、自動偏置電路、保護電路,、高壓啟動電路

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圖1TOPSwitch的管腳排列
(a)TO-220封裝(b)DIP-8封裝和SMD-8封裝

圖2TOPSwitch-Ⅱ的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

和環(huán)路補償電路,,通過高頻變壓器使輸出端與電網(wǎng)完全隔離,真正實現(xiàn)了無工頻變壓器,、隔離式開關(guān)電源的單片集成化,,使用安全可靠,。

⑵輸入交流電壓和頻率的范圍極寬。作固定電壓輸入時可選110V/115V/230V交流電,,允許變化±15%,;在寬電壓范圍輸入時,適配85V~265V交流電,,但POM值要比前者降低40%,。

⑶TOPSwitch-Ⅱ只有3個引出端,可以同三端線性集成穩(wěn)壓器相媲美,,能以最簡方式構(gòu)成無工頻變壓器的反激式普通型或精密型開關(guān)電源,。開關(guān)頻率的典型值為100kHz,允許范圍是90kHz~110kHz,,占空比" title="占空比">占空比調(diào)節(jié)范圍是1.7%~67%,。

⑷外圍電路簡單,成本低廉,。芯片本身功耗很低,,電源效率可達80%左右。

2TOPSwitch的工作原理

TOPSwitch的管腳排列如圖1所示,。它有三種封裝形式,。其中,TO-220封裝有3個引腳,。

DIP-8封裝及SMD-8封裝各有8個引腳,,但均可簡化成3個。這3個管腳分別為控制端" title="控制端">控制端C,,源極S,,漏極D??刂贫擞?個作用:

  利用控制電流IC的大小來調(diào)節(jié)占空比D;

  為芯片提供正常工作所需的偏流,;

決定自動重啟動的頻率,;

對控制回路進行補償。

TOPSwitch-Ⅱ的內(nèi)部框圖如圖2所示,。主要包括10部分:

  控制電壓源(由控制電壓UC向并聯(lián)調(diào)整器和門驅(qū)動級提供偏壓,,而控制端電流IC則能調(diào)節(jié)占空比);

  帶隙基準電壓源(給內(nèi)部提供各種基準電壓),;

  振蕩器(產(chǎn)生鋸齒波(SAW),、最大占空比信號(Dmax)和時鐘信號(CLOCK));

  并聯(lián)調(diào)整器/誤差放大器,;

  脈寬調(diào)制器(通過改變控制端電流IC的大小,,連續(xù)調(diào)節(jié)脈沖占空比,,實現(xiàn)脈寬調(diào)制并能濾掉開關(guān)噪聲電壓);

  門驅(qū)動級和輸出級(內(nèi)含耐壓為700V的功率開關(guān)管MOSFET),;

  過流保護電路(利用MOSFET的漏-源通態(tài)電阻RDS(ON)來檢測過電流,,當ID過大時令MOSFET關(guān)斷,起到過流保護作用),;

  過熱保護及上電復位電路(當芯片結(jié)溫Tj>135℃,,關(guān)斷輸出級);

  關(guān)斷/自動重啟動電路(當調(diào)節(jié)失控時,,立即使芯片在低占空比下工作,。倘若故障已排除,就自動重新啟動電源恢復正常工作),;

  高壓電流源(提供偏流用),。

  TOPSwitch-Ⅱ的工作原理是利用反饋電流IC來調(diào)節(jié)占空比D,達到穩(wěn)壓目的,。舉例說明,,當輸出電壓" title="輸出電壓">輸出電壓UO↑時,經(jīng)過光耦反饋電路使得IC↑→D↓→UO↓,最終使UO不變,。

3單片開關(guān)電源的典型應用

3.1由TOP202Y構(gòu)成的7.5V,,15W開關(guān)電源

7.5V,15W開關(guān)電源電路如圖3所示,。其交流輸入電壓范圍Ui=85V~265V,AC,,輸入電網(wǎng)頻率f=47Hz~440Hz,電壓調(diào)整率SV=±0.5%,負載調(diào)整率SI=±1%,,電源效率達80%,,輸出紋波電壓的最大值為±50mV。該電源采用帶穩(wěn)壓管(VDZ2)的光耦反饋工作方式,。電路中共使用兩片集成電路,,IC1為TOP202Y型單片開關(guān)電源,IC2是日本產(chǎn)NEC2501-H型線性光耦合器,。FU為3A/250V保險管,。C6與L2構(gòu)成交流輸入端的電磁干擾(EMI)濾波器。C6能濾除由初級脈動電流產(chǎn)生的串模干擾,,L2可抑制初級繞組中產(chǎn)生的共模干擾,。C7和C8為安全電容,能濾除由初,、次級繞組之間耦合電容所產(chǎn)生的共模干擾,。寬范圍電壓輸入時,85V~265V交流電經(jīng)過整流器BR,、C1整流濾波后,,獲得直流輸入電壓Ui,。由VDZ1和VD1構(gòu)成的漏極鉗位保護電路可將由高頻變壓器漏感產(chǎn)生的尖峰電壓鉗位到安全值以下,并能減小振鈴電壓,。VDZ1選用P6KE150型瞬態(tài)電壓抑制器(TVS),,其鉗位電壓為150V,鉗位時間僅1ns,,峰值功率是5W,。VD1需采用UF4005型1A/600V的超快恢復二極管(FRD),其反向恢復時間trr=30ns,。

次級電壓經(jīng)VD2,,C2,L1,,C3整流濾波后產(chǎn)生+7.5V的輸出電壓,。R2和VDZ2與輸出端并聯(lián),構(gòu)成開關(guān)電源的假負載,,可提高空載或輕載時的負載調(diào)整率,,反饋繞組電壓經(jīng)過VD3整流、C4濾波后,,得到反饋電壓,,再經(jīng)過光敏三極管給TOP202Y提供一個偏置電壓。VD2選擇UGB8BT型超快恢復二極管,,為降低功耗,,

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圖37.5V,15W開關(guān)電源的電路

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圖415V,,30W精密開關(guān)電源的電路

還可選肖特基二極管,。光耦合器IC2和穩(wěn)壓管VDZ2還構(gòu)成了TOP202Y的外部誤差放大器,能提高穩(wěn)壓性能,。當輸出電壓UO發(fā)生變化時,,由于VDZ2具有穩(wěn)壓作用,就使光耦中LED的工作電流IF發(fā)生變化,,進而改變TOP202Y的控制端電流IC,,再通過調(diào)節(jié)輸出占空比,使UO保持穩(wěn)定,,這就是其穩(wěn)壓原理,。R1為LED的限流電阻,,并能決定控制環(huán)路的增益,。C5是控制端旁路電容,除對環(huán)路進行補償之外,,還決定著自動重啟動頻率,。高頻變壓器選用EE22型鐵氧體磁芯,,圖3中的NP,NS和NB分別代表初級,、次級,、反饋繞組的匝數(shù)。初級電感量LP=620μH±10%,,漏感量LP0≤11μH,。

3.2由TOP224Y構(gòu)成的15V,30W精密開關(guān)電源

其電路如圖4所示,。與圖3相比,,它在電路上主要作了兩處重要改進:第一,為獲得30W的連續(xù)輸出功率,,將TOP202Y換成TOP224Y,,后者在寬范圍電壓輸入時的最大輸出功率可達到45W。第二,,給TOP224Y配置了外部誤差放大器—TL431型可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器,,內(nèi)部包含2.50V基準電壓源、誤差放大器和開關(guān)式晶體管驅(qū)動器,,能直接檢測輸出電壓的變化量,,并進行精確的調(diào)整。輸出電壓UO經(jīng)R4,,R5分壓后得到取樣電壓,,與TL431內(nèi)部2.50V基準電壓源進行比較之后,輸出誤差電流信號,,再通過NEC2501型光耦合器流入TOP224Y的控制端,,直接控制輸出占空比,獲得穩(wěn)定電壓輸出,。改變電阻R4與R5的分壓比,,可以調(diào)整輸出電壓的標稱值??刂骗h(huán)路的頻率響應由R3,,C5的大小所決定。R3的阻值范圍是6.2Ω~15Ω,。

該電源的峰值輸出功率為60W,。電壓調(diào)整率和負載調(diào)整率均為±0.2%,幾乎可同線性穩(wěn)壓電源相媲美,,而其電源效率可達84%,,比線性穩(wěn)壓電源提高近一倍。

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