TOPSwitch的特點及設計時需注意的問題

摘要：對TOPSwitch的特點作了進一步的分析，并講述了設計中如何求得一個最佳電感值的問題。

關鍵詞：前沿消隱 最大占空比 逐周峰值電流限制

1 引言

對于200W以下的開關電源，應用TOPSwitch與應用UC3842相比，所需的元器件要少得多，從而使電路簡化，體積和重量進一步減小，成本降低。本文對TOPSwitch尚未見文獻提及的某些特點及設計中需注意的問題提出一些見解。

2 特點分析

（1）前沿消隱

次級整流電路中二極管反向恢復時產(chǎn)生的電流尖峰脈沖波形如圖1所示。如果這個尖峰脈沖超過了漏極電流的最大值Ilim，就會導致開關脈沖提前結束。為了避免這種情況的出現(xiàn)，TOPSwitch系列器件中設有前沿消隱電路。實質上，它是一個延遲電路，即使限流比較器在輸出MOSFET剛導通的一段很短的時間（一般為180ns）內(nèi)不導通。

（2）自動重起動

TOPSwitch自動重起動時的起動波形如圖2所示?？梢钥闯?，電源是按典型值為12.5％的自動重起動占空比接通和斷開的，即8個充放電周期中只有一個周期工作。

其原因是：從產(chǎn)品的數(shù)據(jù)手冊中，可以得到自動重起動的頻率fR為1.2Hz,對應的自動重起動周期TR約為0.8s，而TOPSwitch的開關周期Tosc僅為10μs，也就是說一個自動重起動周期包括8×105多個開關周期。從而，我們可以得到一個自動重起動周期內(nèi)的漏極電流波形如圖3所示。其中Ilim增大的時間t=tLEB＋tILD，其中tLEB為前沿邊緣消隱時間（典型值為180ns），tILD是限流延時（典型值為100ns）。從圖3中可以看出，在一個自動重起動周期內(nèi)，I會無限增大，這是因為由e=L·di/dt可解得i=te/L＋ioff。如果I的值足夠大，就會造成輸出MOSFET所承受的重復沖擊應力過大而擊穿，這是不允許的。所以，TOPWwitch要求其自動重起動只在很短的一段時間內(nèi)工作，一般取典型值為12.5％的自動重起動占空比，以減少重復沖擊應力的次數(shù)。

（3）電磁干擾

研制開關電源，電磁干擾是一個令人棘手的問題。主要的電磁干擾源經(jīng)常是dv/dt非常大的開關管的漏極及散熱器。而常規(guī)的開關管與金屬底座相連接的恰恰是漏級，因此就產(chǎn)生了強烈的電磁干擾。如果采用TOPSwitch開關方案，就能很好地解決此問題。這是因為TOPSwitch系列器件采用了源極與外殼相連，使金屬底座及散熱器的dv/dt=0，從而降低了電磁干擾，收到了較好的效果。

（4）電壓型控制方式與逐周峰值電流限制

一些文獻把TOPSwitch看成是一種電流型控制方式的脈寬調(diào)制開關，這是不正確的。因為如圖4所示，脈寬調(diào)制比較器的輸入分別是振蕩器輸出的鋸齒波電壓和電壓誤差放大器輸出的電壓信號。因此，TOPSwitch應該是電壓型控制方式。

此外，某些參考文獻中所述的TOPSwitch為逐周電流限制工作方式的說法有誤，應為逐周峰值電流限制。因為限流比較器的閾值是固定的，其限制值為Vlim/RDS(on)，隨著結溫的上升，輸出MOSFET的RDS(on)將增大，而Vlim=VDS(on)是一個額定值，由VDS(on)=RDS(on)Ilim可知RDS(on)增大，Ilim必然減小，使MOSFET的導通損耗p=I2lim·RDS(on)下降，減小了MOSFET的發(fā)熱。

3 設計中需注意的問題

TOPSwitch系列器件可應用于許多不同結構的電源，如正向、反激、升壓或反向拓樸等結構。在進行設計時，最關鍵的問題是變壓器的設計，即如何求得一個最佳電感值的變壓器，使TOPSwitch得到充分利用。這里以輸入電壓為220V±20％AC的反激式開關電源為例予以說明。

如圖5所示，若反沖電壓VOR=135V，此時取最大占空比Dmax=0.4，在最大輸入電壓Vmax=375V時，考慮到漏感產(chǎn)生的電勢100V和反向阻斷二極管正向恢復電壓20V，有VDSmax=100＋135＋375＋20=630V，相應的電壓裕量=700－630=70V，足以滿足設計要求，如果按TOPSwitch數(shù)據(jù)手冊中給出的Dmax=0.6進行設計，則在最小輸入電壓Vmin=250V時，求得反沖電壓VOR=DVmin/(1－D)=375V此時，VDSmax=100＋250＋375＋20=745V大于700V，這是設計所不允許的。

又由平均輸出功率PO等于輸入電壓與平均電流之積，即PO=UI=Vmin·0.5ImaxDmaxη，得到PO/Imax=40W/A（其中，Dmax取0.4，η取0.8）。若取PO/Imax=30W/A，求得Imax=PO/30W/A，由公式L=Eton/Ilim即可求得所需電感值。其中限流值Ilim=(1.1～1.2)Imax，ton=DT（T為開關周期）。因此，電感值過小會出現(xiàn)輸出功率達不到設計要求，電感值過大也會出現(xiàn)這種情況，而且很可能由于出現(xiàn)電流連續(xù)的工作狀態(tài)而導致電壓尖峰增加的現(xiàn)象。

4 結語

TOPSwitch是一種簡捷的SMPS設計方案。當完全透徹地理解該產(chǎn)品的特性以后，就能夠充分利用它設計出性能更加優(yōu)越的開關電源。