TOPSwitchFX系列單片開關(guān)電源的原理與應(yīng)用

TOPSwitchFX系列是美國(guó)PowerIntegrations公司繼TOPSwitch、TOPSwitch并蛑后，在2000年初推出的第三代單片開關(guān)電源產(chǎn)品。它不僅設(shè)計(jì)先進(jìn)，功能完善，而且外圍電路簡(jiǎn)單，使用非常靈活，“FX”即有靈活（flexible）之意。TOPSwitchFX配外圍電路后，能實(shí)現(xiàn)多種控制功能，其中包括配微控制器（MCU）或通過局域網(wǎng)（LAN）遙控開關(guān)電源通／斷的功能。是目前設(shè)計(jì)75W以下高效率、多功能、單路或多路輸出反激式開關(guān)電源的最佳選擇。此外，該系列產(chǎn)品還可構(gòu)成PC機(jī)的待機(jī)電源（StandbySupply）、機(jī)頂盒電源（SettopBoxPowerSupply）、電源適配器、由微控制器控制的開關(guān)電源。

1性能特點(diǎn)及管腳功能

1.1性能特點(diǎn)

(1)該系列產(chǎn)品除具備TOPSwitch并螄盜械娜部?jī)?yōu)點(diǎn)之外，還增加了軟起動(dòng)、外部設(shè)定極限電流、過壓關(guān)斷、欠壓保護(hù)、過熱滯后關(guān)斷、遙控、同步等功能；

(2）只需改變開關(guān)頻率選擇端和多功能端的外部接線，即可實(shí)現(xiàn)14種控制功能：全頻工作方式，半頻工作方式，同時(shí)實(shí)現(xiàn)過壓和欠壓保護(hù)，僅過壓保護(hù)，僅欠壓保護(hù)，從外部設(shè)定極限電流，控制開關(guān)電源通／斷等；

(3)增加了外部可編程設(shè)定極限電流ILIMIT及頻率抖動(dòng)功能，不僅使用方便，還能有效抑制高次諧波干擾；

(4)當(dāng)開關(guān)電源的負(fù)載減輕時(shí)，它采取跳過周期的方式來降低占空比，使輸出電壓保持穩(wěn)定。即使空載時(shí)也不用接假負(fù)載。

1.2管腳功能

TOPSwitchFX系列包括TOP232P/G/Y、TOP233P/G/Y、TOP234P/G/Y共9種型號(hào)，尾綴P、G、Y分別表示DIP8、SMD8、TO2207B封裝。其最大輸出功率為75W。其中，TO2207B封裝有5個(gè)引出端，它們分別是控制端C，多功能端M，源極S，開關(guān)頻率選擇端F，漏極D。DIP8和SMD8封裝沒有F端，等效于四端器件。多功能端主要有6種功能：

（1）線路過壓（OV）保護(hù)；

（2）線路欠壓（UV）保護(hù)；

（3）利用線路電壓前饋來降低空比Dmax；

（4）從外部設(shè)定芯片的極限電流I′LIMIT；

（5）遙控（亦稱遠(yuǎn)程通/斷）；

（6）外同步。

將開關(guān)頻率選擇端接源極時(shí)，開關(guān)頻率f=130kHz；接控制端時(shí)，開關(guān)頻率變成f／2=65kHz。若將M、F端均接S極，TOPSwitchFX即工作在三端模式下，與TOPSwitch并螄嗨啤

2TOPSwitchFX的工作原理

TOPSwitchFX的內(nèi)部框圖如圖1所示。主要由15部分組成：

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

（2）帶隙基準(zhǔn)電壓源（給內(nèi)部提供各種基準(zhǔn)電壓）；

（3）頻率抖動(dòng)振蕩器（產(chǎn)生鋸齒波SAW，時(shí)鐘信號(hào)CLK和最大占空比信號(hào)Dmax）；

（4）并聯(lián)調(diào)整器/誤差放大器；

（5）脈寬調(diào)制器（含PWM比較器和觸發(fā)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）；

（6）過流保護(hù)電路；

（7）門驅(qū)動(dòng)級(jí)和輸出級(jí)（內(nèi)含耐壓為700V的功

率開關(guān)管MOSFET）；

（8）具有滯后特性的過熱保護(hù)電路（當(dāng)芯片結(jié)溫

Tj>135℃時(shí)關(guān)斷輸出級(jí)；當(dāng)Tj70℃時(shí)芯片才恢復(fù)正常工作）；

（9）關(guān)斷/自動(dòng)重起動(dòng)電路（當(dāng)調(diào)節(jié)失控時(shí)，立即使芯片在低占空比下工作。倘若故障已排除，就自動(dòng)重新起動(dòng)電源恢復(fù)正常工作）；

（10）高壓電流源（提供偏流用）；

（11）軟起動(dòng)電路；

（12）欠壓比較器；

（13）電流極限比較器；

（14）線路比較器；

（15）多功能端的內(nèi)部電路。

TOPSwitchFX的工作原理是利用反饋電流IC來調(diào)節(jié)占空比D，達(dá)到穩(wěn)壓目的。舉例說明，當(dāng)輸出電壓UO↑時(shí)，經(jīng)過光耦反饋電路使得IC↑→D↓→UO↓,最終使UO不變。

2.1頻率抖動(dòng)振蕩器及開關(guān)頻率的設(shè)定

所謂頻率抖動(dòng)特性是指把開關(guān)頻率調(diào)制在很窄頻段內(nèi)，以降低與基本開關(guān)頻率的各次諧波相關(guān)的電磁干擾的幅度。TOPSwitchFX的內(nèi)部振蕩器增加了“頻率抖動(dòng)”功能。當(dāng)基本開關(guān)頻率f1=130kHz時(shí),開關(guān)頻率就以250次/s的速率在±4kHz的頻段內(nèi)抖動(dòng),實(shí)際開關(guān)頻率f2=f1±△f1=（130±4）kHz=（126～134）kHz。由于f2是在窄范圍內(nèi)偏移的可變頻率，因此能有效抑制由130kHz基頻及其高次諧波所產(chǎn)生的干擾。諧波次數(shù)愈高，頻率抖動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)愈顯著。例如，用此法可將開關(guān)頻率的5次諧波噪聲的平均值衰減10dB以上。選擇半頻工作方式時(shí)，基本開關(guān)頻率為65kHz，抖動(dòng)范圍是±2kHz，實(shí)際開關(guān)頻率f2=(63～67)kHz。

2.2脈寬調(diào)制器與最大占空比

當(dāng)控制端電流IC在規(guī)定范圍內(nèi),而多功能端的輸入電流IM為定值時(shí)，脈寬調(diào)制器的輸出占空比D與IC成反比。PWM的增益為

K=△D／△IC=－22％/mA

實(shí)際上，占空比不僅與IC有關(guān)，還取決于IM值，這是它與TOPSwitch并虻鬧匾區(qū)別之一。

2.3跳過周期與最小占空比

如果開關(guān)電源的負(fù)載非常輕，以至于開關(guān)電源在最小占空比(Dmin=1.5％)之下所提供的輸出功率，仍然超過負(fù)載上的功耗，TOPSwitchFX就采用跳過周期的工作方式進(jìn)一步降低輸出功率，來提高輕載電壓的穩(wěn)定性。根據(jù)負(fù)載變化情況，開關(guān)電源能在正常工作和跳過周期方式二者之間自動(dòng)轉(zhuǎn)換，而無須其他控制。如不需要跳過周期，可在電源輸出端接上最小負(fù)載RLmin，使D>Dmin=1.5％。

2.4內(nèi)部極限電流與外部可編程極限電流

TOPSwitchFX的漏極極限電流，既可由內(nèi)部設(shè)定，亦可從外部設(shè)定。這是它與TOPSwitch并虻牧硪幌災(zāi)區(qū)別。其內(nèi)部自保護(hù)極限電流值見表1。TOPSwitchFX在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)都要檢測(cè)MOSFET漏－源極導(dǎo)通電阻RDS(ON)上的漏極峰值電流ID(PK)。當(dāng)ID(PK)>ILIMIT時(shí)，過流比較器就輸出高電平，依次經(jīng)過觸發(fā)器、主控門和驅(qū)動(dòng)級(jí)，將MOSFET關(guān)斷，起到過流保護(hù)作用。為方便用戶使用，也可從外部通過改變多功能端的流出電流IM（用負(fù)值表示，單位是μA），來設(shè)定極限電流I′LIMIT值。I′LIMIT的設(shè)定范圍是（40％～100％）·ILIMIT。令KI=I′LIMIT/ILIMIT,KI表示極限電流的衰減因數(shù)，它與IM的關(guān)系曲線如圖2所示。使用時(shí)只需在MS極之間接一只極限電流設(shè)定電阻RIL，通過改變RIL的阻值來調(diào)節(jié)IM的大小，即可從外部設(shè)定I′LIMIT值。以TOP233Y為例，其ILIMIT=1.00A(典型值)。當(dāng)RIL=25kΩ時(shí),I′LIMIT=40％·ILIMIT=0.4A。當(dāng)RIL=6.7kΩ時(shí),I′LIMIT=100％ILIMIT=1.0A。顯然，每改變一次RIL的阻值，就重新設(shè)定一次I′LIMIT值，這就是“可編程”的真正含義。

表1內(nèi)部自保護(hù)極限電流值