TOPSwitch-FX系列高頻功率開關(guān)控制器TOP232～234的應(yīng)用IntroductiontoHigh～FrequencyandPower-Contr

　　

摘要：TOPSwitch-FX系列芯片通過改進(jìn)布局，集成了新功能，降低了系統(tǒng)造價(jià)，同時(shí)也提高了設(shè)計(jì)的靈活性以及性能和能耗效率。文中介紹了新型TOPSwitch-FX系列中TOPS232～234芯片的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及典型應(yīng)用。

本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/233432.htm

關(guān)鍵詞：TOPSwitch-FX；TOP232～234芯片；軟啟動(dòng)；周期跳躍；滯后熱關(guān)斷

1．概述

TOPSwitch-FX系列TOPS232～234芯片采用改進(jìn)的TOPSwitch技術(shù)制造而成。它把高壓功率MOSFET管、PWM控制保護(hù)及其它控制功能集成到了一個(gè)CMOS芯片中。TOPS232～234另加了兩個(gè)引腳,第一個(gè)是多功能(M)引腳,它能執(zhí)行可編程線性OV/UV關(guān)閉及利用線性電壓提供線性交饋并減少DCmax(最大占空比),該腳還可以用來在外部準(zhǔn)確地設(shè)置限流值,在任何一種情況下都可以用作遠(yuǎn)程ON/OFF控制或者使振蕩器與外部較低頻率的信號(hào)同步;第二個(gè)是頻率(F)引腳,它只出現(xiàn)在Y類封裝中,可用于在接到引腳控制(C)時(shí)提供半頻率選擇.將該腳接到源極(S)引腳時(shí)不發(fā)揮效能,這一特點(diǎn)可使系統(tǒng)工作于三端TOPSwitch態(tài)，同時(shí)具有多種優(yōu)良性能：如軟啟動(dòng)、周期跳躍、130kHz的轉(zhuǎn)換頻率、頻率跳變、更寬的Dcmax和滯后熱關(guān)斷等。另外，它與TOPSwitch-II系列比起來，所有的關(guān)鍵參數(shù)如頻率、電流范圍、PWM增益等等都具有更好的溫度性能及抗干擾能力。更高的限流精度和更大的DCmax 使得TOPSwitch-FX 設(shè)備的輸出功率與TOPSwitch-II比起來，在相同情況下可提高10%～15%。

TOPS232～234的主要特點(diǎn)如下：

·可減少外圍器件的耗費(fèi)；

·全集成的軟啟動(dòng)功能可最大限度地減少功率器件的電壓電流應(yīng)力；

.可以由用戶設(shè)置精確的限流值；

·可獲得最大的占空比；

·具有自動(dòng)恢復(fù)的滯后熱關(guān)斷功能；

·具有大幅度的溫度滯后，可防止印制電路板過熱；

·有主開和主控關(guān)的遠(yuǎn)程ON/OFF功能；

·可與較低頻率同步。

2．管腳功能描述

漏極（D）管腳：高壓功率MOSFET管漏極輸出。通過此腳從高壓開關(guān)電流源輸入內(nèi)部啟動(dòng)偏置電流。

控制（C）管腳：用于調(diào)節(jié)占空比的誤差放大器與電流輸入腳。在正常操作期間通過連接至內(nèi)部分流調(diào)節(jié)器來提供內(nèi)部偏置電流。也可以作為電源的旁路和自動(dòng)重起/補(bǔ)償電容的連接點(diǎn)。

多功能（M）引腳：作為OV、UV、用于減少DCmax的線性前饋、外部電流限流值設(shè)置、遠(yuǎn)程ON/OFF控制及與外部低頻信號(hào)同步的輸入腳。將其連接到源極引腳時(shí)，器件的所有功能喪失，從而可使TOPSwitch-FX工作在簡單的三端狀態(tài)（如同TOPSwitch-II）。

頻率（F）引腳（僅限Y類封裝）：用于選擇開關(guān)頻率的輸入引腳，連接至源極引腳時(shí)為130kHz，連接至控制引腳時(shí)為65kHz。只有在P、G類封裝中，開關(guān)頻率才被內(nèi)被內(nèi)部設(shè)置為130kHz.

源（S）引腳：將其連接至輸出MOSFET源極時(shí)可得到高壓功率回饋。TOPS232～234的功能方框圖如圖1所示。

3．應(yīng)用電路

3．130W高效通用輸入電源

圖2所示是采用TOPSwitch-FX來降低系統(tǒng)代價(jià)和供電電源尺寸的應(yīng)用電路。在環(huán)境溫度為50℃、輸入交流電壓為85～265V、輸出電壓為12V、輸出功率為30W時(shí)，采用TOP234所組成的電路可以在滿載時(shí)達(dá)到80%的標(biāo)稱效率。

通過電阻R1與R2可以在外部將限流值設(shè)置為略高于默認(rèn)限流值70%的操作峰值電流的低限，以減小對于給定輸出功率時(shí)轉(zhuǎn)換磁芯的尺寸，提高轉(zhuǎn)換初級(jí)電感，從而減少TOPSwitch-FX的功耗，同時(shí)防止在起動(dòng)及穩(wěn)定輸出時(shí)轉(zhuǎn)換磁芯出現(xiàn)飽和。電阻R1提供的前向反饋信號(hào)可在升高線性電壓的同時(shí)減小限流值，進(jìn)而限制高輸入線性電壓時(shí)的最大過載輸出。前向反饋功能與內(nèi)置軟啟動(dòng)功能結(jié)合在一起可以在更高的反射電壓時(shí)通過在最壞情況下安全地將TOPSwitch-FX的漏壓限制在一適合的范圍之內(nèi)，這樣，可以采用低成本的RCD鉗位電路。由于TOPSwitch-FX具有擴(kuò)展最大占空比性能，因而可以使用較小的輸入電容（C1）擴(kuò)展最大占空比與更高的反射電壓及RCD鉗位性能夠減小次級(jí)整流管D8上的峰值翻轉(zhuǎn)電壓。60V的肖特基整流二極管用來提供15V的輸出電壓，從而大大提高了供電電源的效率。使用TOPSwitch-FX可消除在進(jìn)行無負(fù)載調(diào)節(jié)時(shí)使用虛負(fù)載并減少無負(fù)載/備用的供電消耗。頻率跳變改善了滿足CISPR（FCCB）要求的EMI傳導(dǎo)容限。在此應(yīng)用中我們用一簡單齊納靈敏回路來減少成本。輸出電壓取決于齊納二極管的電壓。

3．2 35W多輸出供電電源

圖3為多輸出機(jī)項(xiàng)盒的一個(gè)典型應(yīng)用電路，它具有35W五路輸出及次級(jí)調(diào)節(jié)供電功能。可應(yīng)用于交流230V輸入，并可以工作于100VAC或115VAC的雙輸入狀態(tài)。

壓敏電阻R1（2MΩ）用來進(jìn)行欠壓檢測（1000V時(shí)）、過壓關(guān)斷（450V時(shí)）及在降低Dcmax的同時(shí)進(jìn)行線性前饋。欠壓檢測可保證在功率下降的情況下輸出沒有干擾。過壓關(guān)斷在輸入直流電壓高于450V時(shí)關(guān)閉TOPSwitch-FX的MOSFET管，以消除反射電壓及漏感尖峰信號(hào)，進(jìn)而將抗浪涌的能力提高至MOSFET的700V額定直流電壓，該特征可使那些經(jīng)常出現(xiàn)線電壓浪涌的國家避免場失敗的發(fā)生。

本電路的設(shè)計(jì)還利用了軟啟動(dòng)和其更高的工作頻率來減小轉(zhuǎn)換器的尺寸。用R4、C4組成阻尼回路能減少可能影響電視接收轉(zhuǎn)換波形的微分輻射視頻干擾。在對視頻干擾敏感的應(yīng)用中可以通過將頻率腳連接至控制引腳來使能半頻率選擇，從而在不嚴(yán)重影響效率的情況下進(jìn)行更大程度的緩沖。

本電路通過R9、R10、R11來傳輸雙重感應(yīng)光耦合反饋，從而使得在輸出電壓3.3V和5V時(shí)負(fù)載有±5%的調(diào)節(jié)度。通過設(shè)置變換器變換比可以得到不同的輸出電壓。低功率時(shí)的5V輸出電壓可以通過電阻R12和齊納二極管VR2來調(diào)節(jié)。在輕負(fù)載的情況下我們采用虛負(fù)載電阻R13來進(jìn)行30V電壓的調(diào)節(jié)。電阻R8和電容C7用于對TL431進(jìn)行補(bǔ)償。并決定初級(jí)回路的補(bǔ)償和自動(dòng)重起頻率。該電路在整個(gè)交流輸入范圍內(nèi)，其滿載工作效率都大于75%，初級(jí)鉗位元件VR1和D1可將峰值漏極電壓限制在安全范圍以內(nèi)。

TOPSwitch-FX的頻率跳變有助于減小EMI，選擇合適電容CY1和濾波器件（CX1、L1）可以將泄漏限制在低于CISPR22（FCCB）的水平上。為減小常態(tài)電流與TOP232耦合所造成的干擾，應(yīng)將Y1固定在正向直流輸入端。另外，可通過一附加的275V的MOV（RV1）來抵抗3kV的雷擊。

3．3 處理器控制開關(guān)的供電電源

在一些應(yīng)用中，我們希望使用低功耗瞬時(shí)接觸開關(guān)來控TOPSwitch-FX的電源開關(guān)。利用圖4所示的低功耗遠(yuǎn)程關(guān)斷性能可在只需極少數(shù)外部元件的情況下完美地完成這一功能。只要瞬時(shí)接觸鍵開關(guān)P1被按下，光耦合管就會(huì)導(dǎo)通并將該動(dòng)作告知微處理器。起初，當(dāng)電源關(guān)閉時(shí)，閉合P1時(shí)會(huì)將TOPSwitch-FX的M引腳通過一個(gè)二極管（遠(yuǎn)端）短接到源極，從而啟動(dòng)供電電源。在次級(jí)輸出建立起來之后，處理器開始工作，并通過由光耦合管U3輸出所驅(qū)動(dòng)的開關(guān)狀態(tài)輸入來確認(rèn)開關(guān)P1處于閉合狀態(tài)，然后微處理器通過光耦管U4發(fā)出一電源控制信號(hào)來控制通路的電源。如果用戶再次按下開關(guān)P1來關(guān)閉系統(tǒng)的話，微處理器通過U3檢測到這一命令后執(zhí)行內(nèi)定的關(guān)閉程序。例如在噴墨打印機(jī)中，關(guān)閉程序包括將打印頭安全的停放在存儲(chǔ)區(qū)域等功能。在盤式驅(qū)動(dòng)器中則會(huì)將數(shù)據(jù)或設(shè)置保存到盤內(nèi)。當(dāng)關(guān)閉程序執(zhí)行完畢以后，可以安全關(guān)掉電源，同時(shí)微處理器通過關(guān)斷U3來釋放M引腳。若手動(dòng)開關(guān)及光耦管U3、U4距M引腳較遠(yuǎn)，在M管腳懸空時(shí)，需要用一個(gè)電容來防止干擾信號(hào)的耦合進(jìn)入。

我們也可以通過用一邏輯信號(hào)來驅(qū)動(dòng)光耦管U4，從而通過局域網(wǎng)或串口來遠(yuǎn)程閉合供電電源。有時(shí)候通過電纜發(fā)送一系列邏輯脈沖信號(hào)要比用一直流邏輯電平作為喚醒信號(hào)容易的多。這時(shí)，可以用一簡單RC濾波來產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)U4的直流電平（圖4中沒有畫出）。此遠(yuǎn)程關(guān)斷性能可以用來喚醒打印機(jī)、掃描儀、外置調(diào)制解調(diào)器、盤式驅(qū)動(dòng)器等計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備。使用該電路可以在設(shè)備空閑一段時(shí)間以后自動(dòng)關(guān)閉電源以節(jié)省電能。

通過以上應(yīng)用實(shí)例，可以看到TOPSwitch-FX具有關(guān)斷及工作時(shí)的低功耗、低電壓/電流、瞬時(shí)接觸開關(guān)、無回波、無需外部限流回路、無需高壓阻抗、瞬時(shí)變化不會(huì)影響開關(guān)狀態(tài)等優(yōu)良性能。

4．應(yīng)用注意事項(xiàng)

4．1 TOPSwitch-FX的選擇

使用何種TOPSwitch-FX應(yīng)根據(jù)所需的最大輸出功率、效率、溫度限制等參數(shù)以及價(jià)格等因素進(jìn)行選擇。如果外部能夠減小限流值，那么，在要求效率較高或所需散熱很小的低功率應(yīng)用中可以選擇大一些的TOPSwitch-FX。

4．2輸入電容

在選擇電容時(shí)，必須使轉(zhuǎn)換器在最低標(biāo)稱電壓和最大輸出功率時(shí)可以調(diào)節(jié)。對于一個(gè)設(shè)計(jì)合理的變換器來說，2μF/W的電容足夠了。

4．3初級(jí)鉗位及輸出反射電壓

應(yīng)當(dāng)使用一鉗位電路來限TOPSwitch-FX的漏源極電壓。齊納鉗位只需很少的元件并占用很少的空間。為獲得較好的效率，鉗位齊納管的電壓至少應(yīng)是輸出反射電壓Vor的1.5倍，這樣能減少泄漏尖峰信號(hào)的導(dǎo)通時(shí)間。在通常的應(yīng)用中若使用齊納鉗位，就要求Vor低于135V以允許齊納管的絕對干擾和溫度漂移。這樣可以保證鉗位電路高效工作，同時(shí)也使最大漏極電壓低于TOPSwitch-FX MOSFFT的允許電壓。

為了充分利用TOPSwitch-FX更寬的DCmax性能，Vor應(yīng)該很高。另外，當(dāng)設(shè)計(jì)中工作電流大大低于缺省限流值時(shí)，可在外部設(shè)置限流值以使其接近工作電流的峰值，從而減少磁通強(qiáng)度和峰值功率。

4．4備用消耗

周期跳躍，尤其是使用齊納鉗位時(shí)可以顯著地降低無負(fù)載時(shí)的功率消耗。為此可以采用TL431調(diào)節(jié)器來進(jìn)行反饋控制，從而使得次級(jí)消耗降到最低。另外，將正常工作下的130kHz降為輕載時(shí)的65kHz也可以顯著地降低開關(guān)損耗。