TOPSwitchGX系列第四代單片開關(guān)電源的原理

TOPSwitchGX系列是美國PowerIntegrations公司繼TOPSwitchFX之后，于2000年底新推出的第四代單片開關(guān)電源集成電路，并將作為主流產(chǎn)品加以推廣。下面詳細(xì)闡述TOPSwitchGX的性能特點(diǎn)、產(chǎn)品分類和工作原理。

1TOPSwitchGX的性能特點(diǎn)及產(chǎn)品分類

1.1性能特點(diǎn)

（1）該系列產(chǎn)品除具備TOPSwitchFX系列的全部優(yōu)點(diǎn)之外，還將最大輸出功率從75W擴(kuò)展到250W，適合構(gòu)成大、中功率的高效率、隔離式開關(guān)電源。

（2）采用TO2207C封裝的TOP242～TOP249產(chǎn)品，新增加了線路檢測端（L）和從外部設(shè)定極限電流端（X）這兩個(gè)引腳，用來代替TOPSwitchFX的多功能端（M）的全部控制功能，使用更加靈活、方便。

（3）將開關(guān)頻率提高到132kHz，這有助于減小高頻變壓器及整個(gè)開關(guān)電源的體積。

（4）當(dāng)開關(guān)電源的負(fù)載很輕時(shí)，能自動將開關(guān)頻率從132kHz降低到30kHz（半頻模式下則由66kHz降至15kHz），可降低開關(guān)損耗，進(jìn)一步提高電源效率。

（5）采用了被稱作EcoSmart的節(jié)能新技術(shù)，顯著降低了在遠(yuǎn)程通／斷模式下芯片的功耗，當(dāng)輸入交流電壓是230V時(shí)，芯片功耗僅為160mW。

1.2產(chǎn)品分類

根據(jù)封裝形式和最大連續(xù)輸出功率的不同，TOPSwitchGX系列可劃分成三大類、共14種型號，詳見表1。型號中的后綴P、G、Y分別表示DIP8B、SMD8B、TO2207C封裝。

表1TOPSwitchGX的產(chǎn)品分類及最大連續(xù)輸出功率POM

TOPSwitchGX的引腳排列如圖1所示。其中，TO2207C封裝有6個(gè)引出端，它們分別是控制端C，線路檢測端L，極限電流設(shè)定端X，源極S，開關(guān)頻率選擇端F，漏極D。利用線路檢測端（L）可實(shí)現(xiàn)四種功能：過壓（OV）保護(hù)；欠壓（UV）保護(hù)；電壓前饋（當(dāng)電網(wǎng)電壓過低時(shí)用來降低最大占空比）；遠(yuǎn)程通／斷（ON／OFF）和同步。而利用極限電流設(shè)定端（X），可從外部設(shè)定芯片的極限電流。DIP8B和SMD8B封裝仍保留多功能端M，并未設(shè)置開關(guān)頻率選擇端F，故等效于四端器件。其余引腳功能與TOPSwitchFX相同。

圖1TOPSwitchGX的引腳排列(a)TO2207C封裝(b)DIP8B和SMD8B封裝

圖2TOPSwitchGX的內(nèi)部框圖

3TOPSwitchGX的工作原理

采用Y封裝的TOPSwitchGX系列產(chǎn)品，其內(nèi)部框圖如圖2所示。電路主要由18部分組成：

（1）控制電壓源；

（2）帶隙基準(zhǔn)電壓源；

（3）頻率抖動振蕩器；

（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）；

（6）過流保護(hù)電路；

（7）門驅(qū)動級和輸出級；

（8）具有滯后特性的過熱保護(hù)電路；

（9）關(guān)斷／自動重起動電路；

（10）高壓電流源；

（11）軟起動電路；

（12）欠壓比較器；

（13）電流極限比較器；

（14）線路比較器；

（15）線路檢測端和極限電流設(shè)定端的內(nèi)部電路；

（16）輕載時(shí)自動降低開關(guān)頻率的電路；

（17）停止邏輯；

（18）開啟電壓為1V的電壓比較器。

它與TOPSwitchFX的主要區(qū)別為：新增加了第（16）、（17）、（18）項(xiàng)單元電路；給電流極限調(diào)節(jié)器也增加了軟起動輸出端；將頻率抖動振蕩器產(chǎn)生的開關(guān)頻率提升到132kHz（全頻模式）或66kHz（半頻模式）；給頻率抖動振蕩器增加了一個(gè)“停止邏輯”（STOPLOGIC）電路，使之工作更為可靠。TOPSwitchGX的工作原理仍然是利用反饋電流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VO降低時(shí)，經(jīng)過光耦反饋電路使得IC減小，占空比則增大，輸出電壓隨之升高,最終使VO維持不變。

TOPSwitchGX與TOPSwitchFX的性能比較，詳見表2。下面重點(diǎn)闡述TOPSwitchGX新增功能電路的原理。

3.1輕載時(shí)自動降低開關(guān)頻率的電路

對TOPSwitchGX而言，開關(guān)頻率及占空比能隨輸出端負(fù)載的降低而自動減小。其減小量與控制端流入的電流成反比。當(dāng)控制端電流逐漸增大時(shí)，占空比能線性地減少到10％，但是當(dāng)負(fù)載很輕時(shí)，占空比可低于10％。與此同時(shí)，開關(guān)頻率也減少到最小值，以提高開關(guān)電源在輕載下的效率。當(dāng)開關(guān)頻率的正常值（即典型值）為132kHz時(shí)，頻率最小值為30kHz，在半頻模式下開關(guān)頻率正常值為132kHz／2=66kHz，此時(shí)頻率最小值就降至15kHz。該特性能保證開關(guān)電源在輕載時(shí)，仍保持良好的調(diào)節(jié)功能，并且降低了電源的開關(guān)損耗。開關(guān)頻率f和占空比D與控制端電流IC的關(guān)系如圖3所示。

圖3開關(guān)頻率和占空比與控制端電流的關(guān)系曲線

(a)fIC關(guān)系曲線(b)DIC關(guān)系曲線

表2TOPSwitchGX與TOPSwitchFX的性能比較

進(jìn)一步分析可知，開關(guān)損耗是由片內(nèi)功率開關(guān)管MOSFET的電容損耗和開關(guān)交疊損耗這兩部分構(gòu)成的。這里講的電容損耗亦稱CV2f損耗，它是指儲存在MOSFET輸出電容和高頻變壓器分布電容上的電能，要在每個(gè)開關(guān)周期開始時(shí)被泄放掉而產(chǎn)生的損耗。交疊損耗則是由于MOSFET存在開關(guān)時(shí)間而產(chǎn)生的。在MOSFET的通／斷過程中，有效的電壓和電流同時(shí)加到MOSFET上的時(shí)間很短，而MOSFET的開關(guān)交疊時(shí)間較長，這勢必造成功率損耗。單片開關(guān)電源內(nèi)部加有很小的米勒（Miller）電容，使得MOSFET的開關(guān)速度更快，其交疊損耗僅為分立開關(guān)電源的1/10左右，可忽略不計(jì)。但是，由TOPSwitchGX構(gòu)成的開關(guān)電源在額定輸出功率下，MOSFET的電容損耗仍占總功耗的7％左右，這是不容忽視的問題。特別當(dāng)開關(guān)電源的負(fù)載很輕時(shí)，電容損耗在總功耗中所占份額還會進(jìn)一步增加。因此，輕載時(shí)令TOPSwitchGX處于低頻開關(guān)狀態(tài)，這對于降低MOSFET的電容損耗至關(guān)重要。

3.2內(nèi)部極限電流與外部可編程極限電流

TOPSwitchGX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Ⅱ的另一顯著區(qū)別。其內(nèi)部自保護(hù)極限電流ILIMIT的最小值、典型值和最大值見表3，測試條件為芯片結(jié)溫TJ=25℃。ILIMIT會隨環(huán)境溫度的升高而增大。TOPSwitchGX在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)都要檢測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)動級，將MOSFET關(guān)斷，起到過流保護(hù)作用。將TOPSwitchGX與TOPSwitchⅡ進(jìn)行比較后不難發(fā)現(xiàn)，TOPSwitchGX的極限電流容許偏差要小得多。例如TOP223P/Y的容差為1.00±0.1A，相對偏差達(dá)(±0.1/1.00)×100％=±10％。而TOP244P/G的容差為1.00±0.07A，相對偏差減小到(±0.07/1.00)×100％=±7％。這表明，用TOP244P/G代替TOP223P/Y來設(shè)計(jì)開關(guān)電源時(shí)，由于TOP244P/G不需要留出過多的極限電流余量并且它把最大占空比提高到78％（TOPSwitchⅡ僅為67％），因此在相同的輸入功率／輸出電壓條件下，TOPSwitchGX要比同類TOPSwitchⅡ的輸出功率高出10％～15％，并且還能降低外圍元件的成本。

為方便用戶使用，也可從外部通過改變極限電流設(shè)定端（X）的流出電流IX（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（30％

～100％）·ILIMIT。

表3內(nèi)部自保護(hù)極限電流值

3.3遠(yuǎn)程通／斷

TOPSwitchGX是通過改變線路檢測端流入（或流出）電流IX的大小及方向，來控制開關(guān)電源通、斷狀態(tài)的。線路檢測端內(nèi)部還增加了開啟電壓為1V的電壓比較器，此開啟電壓可用于遠(yuǎn)程通／斷控制。對于P/G封裝的芯片，把晶體管或光耦合器的輸出接到多功能端（M）與源極（S）之間，就用正邏輯信號（高電平）起動開關(guān)電源，加低電平信號則關(guān)斷；而接在多功能端與控制端（C）之間，就改用負(fù)邏輯信號（低電平）起動開關(guān)電源，加高電平則關(guān)斷。對于Y封裝的芯片，將晶體管或光耦的輸出分別接極限電流設(shè)定端（X）、線路檢測端（L），亦可對開關(guān)電源的通／斷進(jìn)行遙控。