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TOPSwitch单片开关电源的原理及应用 免费猫

发布时间:2020-02-17 12:12:54 阅读: 来源:屏蔽泵厂家

TOPSwitch单片开关电源的原理及应用

单片开关电源具有单片集成化、最简外围电路、最佳性能指标、能构成无工频变压器开关电源等显著优点。TO PSwitch器件是美国功率集成公司(POWER Integrations)于20世纪90年代中期推出的新型高频开关电源芯片。它是三端脱线式PWM开关(Three-terminal Offline PWM Swtich)的英文缩写, 其第一代产品以1994年推出的TOP100/200系列为代表, 第二代产品则是1997年问世的TOPSwitch-Ⅱ。上述产品一经问世便显示出强大的生命力,它极大地简化150W以下开关电源的设计,使电路大为简化,体积进一步缩小,成本也明显降低。

1 TOPSwitch产品分类

TOPSwitch包括TOP100系列(TOP100Y~TOP104Y)、TOP200系列(TOP200Y~TOP202Y,TOP214Y)、TO P209/210 系列、TOPSwitch- Ⅱ系列( TOP221~TOP227)。TOPSwitch - Ⅱ是TOP-Sw itch 的改进型号,它将单电压输入时的最大功率100W提高到150W,电磁兼容性也得到增强,具有更高的性能价格比,现已成为国际上开发中、小功率开关电源模块的优选集成电路。TOPSwitch- Ⅱ所包括的几个型号之间的区别在于输出功率的不同,其产品分类见表1。

2 TOPSwitch结构

TOPSw itch 有三种封装形式,其中,TOP221Y~TOP227Y采用TO-220封装,有3个引脚; TOP221P/G~TOP224P/G采用DIP-8封装及SMD-8封装,有8个引脚,但8只管脚中有6只管脚实际是连在一起作为S端,故可简化成3只管脚,这样它仍系三端器件。3个引出端分别是漏极端D、源极端S和控制端C。其中,D是内装MOSFET的漏极,也是内部电流的检测点,启动操作时,漏极端由一个内部电流源提供内部偏置电流。控制端C控制输出占空比,是误差放大器和反馈电流的输入端。在正常操作时,内部的旁路调整端提供内部偏置电流,且能在输入异常时自动锁定保护。源极端S是MOSFET的源极,同时是TOP开关及开关电源初级电路的公共接地点及基准点。

表1 TOPSwitch-Ⅱ的产品分类及最大输出功率

3 TOPSwitch 性能特点

3.1 安全性高

将脉宽调制(PWM)控制系统的全部功能集成到三端芯片中,内含脉宽调制器、功率开关场效应管(MOSFET )、自动偏置电路、保护电路、高压启动电路和环路补偿电路,通过高频变压器使输出端与电网完全隔离,真正实现了无工频变压器、隔离式开关电源的单片集成化,使用安全可靠。

3.2 系统效率高

TOPSwitch 系采用CMOS工艺制作,并在芯片中集成了尽可能多的功能,故与采用二极管或分立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,系统效率大大提高。特别是TOPSwitch 器件专门针对反激式功率变换电路进行了优化,使占空比最大值可达70%, TOP100Y~TOP104Y 和TOP200Y~TOP202Y/TOP214Y 的效率可达90%,TOP209/TOP210的效率也可超过80%。

3.3 设计简化

TOPSwitch 器件在3脚的TO -220封装中集成了PWM控制器和高压MOSFET功率开关,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。另外,美国功率集成公司还为TOPSwitch器件提供了许多标准设计的电路板,使应用TOPSwitch的设计更为方便,极大地缩短了产品开发至进入市场所需的时间。

3.4 应用灵活性高

TOPSwitch器件支持降压型、升压型、正激式和反激式功率变换电路,并且很容易和光耦及变压器初级的反馈电路结合,无论在连续传导模式和不连续传导模式下均可工作;输入交流电压和频率的范围极宽,作固定电压输入时可选110V/115V/230V交流电,允许变化±15%; 在宽电压范围输入时,适配85V~265V交流电,但最大输出功率比前者降低40%。

3.5 功能完善的系统级故障保护

TOPSwitch具有自动重启和逐周电流限制功能,故可对功率变压器初级和次级电路的故障进行保护。TOPSwitch还具有在片热关闭选通功能,可在电路超负荷时有效地保护电源。

3.6 外围电路简单且成本低廉

使用TOPSwitch器件,可减少20个~50个元器件,使产品的大小和重量减少50%;TOPSwitch因采用了源极调节板和可控的MOSFET 通态驱动,故电磁干扰(EMI)和EMI滤波器的成本可明显降低。

3.7 以最简方式构成反激式开关电源

TOPSwitch-Ⅱ只有3个引出端,可以同三端线性集成稳压器相媲美,能以最简方式构成无工频变压器的反激式普通型或精密型开关电源。开关频率的典型值为100kHz,允许范围90kHz~110kHz,占空比调节范围是1.7%~67%。

4 TOPSwitch 工作原理

TOP包括10部分,其中Zc为控制端的动态阻抗,RE是误差电压检测电阻。RA与CA构成截止频率为7kHz的低通滤波器。

4.1 控制电压源

控制电压Uc能向并联调整器和门驱动级提供偏置电压,而控制端电流Ic则能调节占空比。Uc有两种工作模式,一种是滞后调节,用于启动和过载两种情况,具有延迟控制作用; 另一种是并联调节,用于分离误差信号与控制电路的高压电流源。刚启动电路时由D-C极之间的高压电流源提供控制端电流Ic。

4.2 带隙基准电压源

带隙基准电压源除向内部提供各种基准电压之外,还产生一个具有温度补偿并可调整的电流源,以保证精确设定振荡器频率和门极驱动电流。

4.3 振荡器

内部振荡电容是在设定的上、下阈值UH、UL之间周期性地线性充放电,以产生脉宽调制器所需要的锯齿波(SAW) ,与此同时还产生最大占空比信号(Dmax) 和时钟信号(CLOCK)。为减小电磁干扰,提高电源效率,振荡频率(即开关频率)设计为100kHz,脉冲波形的占空比设定为P。

4.4 放大器

误差放大器的增益由控制端的动态阻抗Zc来设定。Zc的变化范围是10Ω~20Ω,典型值为15Ω。误差放大器将反馈电压UF与5.7V基准电压进行比较后,输出误差电流Ir,在RE上形成误差电压UR。

4.5 脉宽调制器(PWM)

脉宽调制器是一个电压反馈式控制电路,它具有两层含义:①改变控制端电流Ic的大小,即可调节占空比P,实现脉宽调制;②误差电压UR经由RA、CA组成截止频率为7kHz 的低通滤波器,滤掉开关噪声电压之后,加至PWM比较器的同相输入端,再与锯齿波电压UJ进行比较,产生脉宽调制信号UB。

4.6 门驱动级

门驱动级(F)用于驱动功率开关管(MOSFET) ,使之按一定速率导通,从而将共模电磁干扰减至最小。漏源导通电阻与产品型号和芯片结温有关。

4.7 过流保护电路

过流比较器的反相输入端接阈值电压ULIM IT,同相输入端接MOSFET管的漏极。此外,芯片还具有初始输入电流限制功能。刚通电时可将整流后的直流限制在0.6A 或0.75A。

4.8 过热保护电路

当芯片结温TJ 135℃时, 过热保护电路就输出高电平, 将触发器Ⅱ置位, 使Q=1, 关断输出级。此时进入滞后调节模式, Uc端波形也变成幅度为4.7V~5.7V 的锯齿波。若要重新启动电路,需断电后再接通电源开关;或者将控制端电压降至3.3V 以下,达到Uc( reset) 值,再利用上电复位电路将触发器Ⅱ置零,使MOSFET 恢复正常工作。

4.9 关断/自动重启动电路

一旦调节失控,关断/自动重启动电路立即使芯片在5%占空比下工作,同时切断从外部流入C端的电流,Uc再次进入滞后调节模式。倘若故障已排除,Uc又回到并联调节模式,自动重新启动电源恢复正常工作。自动重启动的频率为1.2Hz。

4.10 高压电流源

在启动或滞后调节模式下,高压电流源经过电子开关S1给内部电路提供偏置,并且对Ct 进行充电。电源正常工作时S1改接内部电源,将高压电流源关断。当TOP开关启动操作时,在控制端环路振荡电路的控制下,漏极端有电流流入芯片,提供开环输入。该输入通过旁路调整器、误差放大器时,由控制端进行闭环调整,改变Ir,经由PWM控制MOSFET的输出占空比,最后达到动态平衡。

5 单片开关电源的典型应用

TOP221Y单片开关电源,它是由TOP221Y构成的+ 5V开关电源。

5.1 TOP221Y主要性能参数

(1) TOP221Y是宽电压范围的单片开关电源模块,可通过外接少量外围元件组成功率在15W以下的高效率电源。

(2) 为提高输出电压的稳压精度,电压采样电路使用了高精度可调稳压管TL431,并通过光电耦合将负反馈电压回馈至TOP221Y 的控制端。

(3) 通过合理的印刷板设计,可使电路工作稳定可靠, 电磁辐射降至最小, 也可有效地抗外部电磁干扰, 具有较好的电磁兼容性能。

(4) 输出直流电路采用了LC滤波电路,有效消除次级电路中的高频干扰信号。

(5) 交流输入电压范围: 85V~265V (47Hz~440Hz)。

(6) 直流输出: 5V/0.8A ,纹波小于50mV。

(7) 该电源具有约1% 的电压调整率和负载调整率,整机效率可达70%以上。

(8) 工作温度范围: 0~75℃。

5.2 电路工作原理

交流电AC(范围为120V~265V) 由两个AC接点输入,经C1和L1组成的EMI滤波器抑制电磁噪声,进入整流电路。由于TOP221Y具有频率抖动特性,可有效抑制噪声干扰,因而在小功率开关电源中,只需简单的EMI 滤波器,并采用合理的接地技术,即可符合有关电磁兼容性要求。BR1为整流电路,这里选用快恢复特性的整流桥2KPB06M,整流后的脉动直流电经C2滤波,提供给TOP221Y开关调制电路。高频变压器的次级绕组有两个,一个是主绕组,它提供电源的主能量,高频电压经快速二极管SB540整流后由滤波电容C4、C5滤波, 再经L2组成低通滤波器向负载输出。L2主要是抑制高频噪声向负载输出,以防止负载受其干扰。输出端的电解电容C8是为了降低输出的交流纹波系数而加的,它主要是降低输出直流电压的交流纹波。

另一个次级绕组组成反馈电压绕组,由二极管整流后加在光敏管两端,输出的反馈电压加在光耦的二极管正极上,电阻R5和稳压管U1组成基准电压源,为光耦提供基准电压,这样光耦中的二极管的发光强度是由输出电压控制的,经光耦耦合到TOP221Y的控制端,从而实现脉宽的可控,达到稳压目的。电阻R6和C7是控制环路的补偿元件。

该电源的输入电压范围可达85V~265V AC,输出电压为5V DC,可提供0.8A的电流输出。负载调整率为±1% ,电源效率约为70%,输出纹波电压小于50mV。电路使用了最简的设计, 作为一些掌上型电器的适配电源, 完全可以满足要求。

6 结束语

由于TOP 芯片内部完全集成了SMS的全部功能,所以利用它设计开关电源周期短、成本低。随着TOP 开关系列的不断发展与改进,其在开关电源及其它应用领域中必将有着更加灿烂的前景。

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