單片開關(guān)電源的發(fā)展及其應(yīng)用

摘 要： 目前中、小功率開關(guān)電源正朝著單片集成化的方向發(fā)展。本文詳細(xì)闡述近年來問世的各種單片開關(guān)電源的性能特點(diǎn)及典型應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： 單片開關(guān)電源 脈寬調(diào)制 待機(jī)電源 可編程狀態(tài)控制器

單片開關(guān)電源集成電路具有高集成度、高性價(jià)比、最簡外圍電路、最佳性能指標(biāo)、能構(gòu)成高效率無工頻變壓器的隔離式開關(guān)電源等優(yōu)點(diǎn)。它于90年代中、后期相繼問世后，便顯示出強(qiáng)大的生命力，目前它成為國際上開發(fā)中、小功率開關(guān)電源、精密開關(guān)電源及電源模塊的優(yōu)選集成電路。由它構(gòu)成的開關(guān)電源，在成本上與同等功率的線性穩(wěn)壓電源相當(dāng)，而電源效率顯著提高，體積和重量則大為減小。這就為新型開關(guān)電源的推廣與普及，創(chuàng)造了良好條件。

１ 集成開關(guān)電源的發(fā)展簡況

開關(guān)電源被譽(yù)為高效節(jié)能電源，它代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向，現(xiàn)已成為穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品。近20多年來，集成開關(guān)電源沿著下述兩個(gè)方向不斷發(fā)展。第一個(gè)方向是對(duì)開關(guān)電源的核心單元——控制電路實(shí)現(xiàn)集成化。1997年國外首先研制成脈寬調(diào)制（PWM）控制器集成電路，美國摩托羅拉公司、硅通用公司（Silicon General）、尤尼特德公司（Unitrode）等相繼推出一批PWM芯片，典型產(chǎn)品有MC3520、SG3524、UC3842。90年代以來，國外又研制出開關(guān)頻率達(dá)1MHz的高速PWM、PFM（脈沖頻率調(diào)制）芯片，典型產(chǎn)品如UC1825、UC1864。第二個(gè)方向則是對(duì)中，小功率開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)單片集成化。這大致分兩個(gè)階段：80年代初意－法半導(dǎo)體有限公司（SGS－Thomson）率先推出L4960系列單片開關(guān)式穩(wěn)壓器。該公司于90年代又推出了L4970A系列。其特點(diǎn)是將脈寬調(diào)制器、功率輸出級(jí)、保護(hù)電路等集成在一個(gè)芯片中，使用時(shí)需配工頻變壓器與電網(wǎng)隔離，適于制作低壓輸出（5.1～40V）、大中功率（400W以下）、大電流（1.5A～10A）、高效率（可超過90%）的開關(guān)電源。但從本質(zhì)上講，它仍屬DC/DC電源變換器。

1994年，美國動(dòng)力（Power）公司在世界上首先研制成功三端隔離式脈寬調(diào)制型單片開關(guān)電源，被人們譽(yù)為“頂級(jí)開關(guān)電源”。其第一代產(chǎn)品為TOPSwitch系列，第二代產(chǎn)品則是1997年問世的TOPSwitch-II系列。該公司于1998年又推出了高效、小功率、低價(jià)格的四端單片開關(guān)電源TinySwitch系列。在這之后，Motorola公司于1999年又推出MC33370系列五端單片開關(guān)電源，亦稱高壓功率開關(guān)調(diào)節(jié)器（HighVoltage Power Switching Regulator）。目前，單片開關(guān)電源已形成四大系列、近70種型號(hào)的產(chǎn)品。

２ TOPSwitch-11系列三端單片開關(guān)電源

根據(jù)封裝形式，TOPSwitch－II可劃分成三種類型：TOP221Y~227Y（TO-220封裝）， TOP221P~224P（DIP-8封裝），TOP221G~224G（SMD-8封裝），產(chǎn)品分類詳見表１。其中以TOP227Y的輸出功率為最大。

2.1 TOPSwitch-11的性能特點(diǎn)

(1) TOPSWitch-II內(nèi)部包括振蕩器、誤差放大器、脈寬調(diào)制器、門電路、高壓功率開關(guān)管（MOSFET）、偏置電路、過流保護(hù)電路、過熱保護(hù)及上電復(fù)位電路、關(guān)斷／自動(dòng)重啟動(dòng)電路。它通過高頻變壓器使輸出端與電網(wǎng)完全隔離，使用安全可靠。它屬于漏極開路輸出的電流控制型開關(guān)電源。由于采用CMOS電路，使器件功耗顯著降低。

(2) 只有三個(gè)引出端：控制端C、源極S、漏極D，可同三端線性穩(wěn)壓器相媲美，能以最簡方式構(gòu)成無工頻變壓器的反激式開關(guān)電源。為完成多種控制、偏置及保護(hù)功能，C、D均屬多功能引出端，實(shí)現(xiàn)了一腳多用。以控制端為例，它具有三項(xiàng)功能：①該端電壓VC為片內(nèi)并聯(lián)調(diào)整器和門驅(qū)動(dòng)級(jí)提供偏壓；②該端電流IC能調(diào)節(jié)占空比；③該端還作為電源支路與自動(dòng)重啟動(dòng)／補(bǔ)償電容的連接點(diǎn)，通過外接旁路電容來決定自動(dòng)重啟動(dòng)的頻率，并對(duì)控制回路進(jìn)行補(bǔ)償。

　(3) 輸入交流電壓的范圍極寬。作固定電壓輸入時(shí)可選220V±15%交流電，若配85~265V寬范圍變化的交流電，最大輸出功率要降低40%。開關(guān)電源的輸入頻率范圍是47~440Hz。

(4) 開關(guān)頻率典型值為100KHz，占空比調(diào)節(jié)范圍是1.7%～67%。電源效率為80%左右，最高可達(dá)90%，比線性集成穩(wěn)壓電源提高近一倍。其工作溫度范圍是0～70℃芯片最高結(jié)溫Tjm=135℃。

 (5) TOPSwitch-II的基本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)由于某種原因致使開關(guān)電源的輸出電壓VOT時(shí)，經(jīng)過光耦反饋電路就使Ic↑→誤差電壓Vrt→D↓→Vo↓，使Vo保持不變。反之亦然。

(6) 外圍電路簡單，成本低廉。外部僅需接整流濾波器、高頻變壓器、初級(jí)保護(hù)電路、反饋電路和輸出電路。采用此類芯片還能降低開關(guān)電源產(chǎn)生的電磁干擾。

2.2 典型應(yīng)用

TOPSwitch-II可廣泛用于儀器儀表、筆記本電腦、移動(dòng)電話、電視機(jī)、VCD和DVD、攝錄像機(jī)、電池充電器、功率放大器等領(lǐng)域，并能構(gòu)成各種小型化、高密度、低成本的開關(guān)電源模塊。此外，它還適合構(gòu)成后備式開關(guān)電源，非隔離式開關(guān)電源、恒流恒壓輸出開關(guān)電源，供無線通信用的DC/DC電源變換器、恒功率調(diào)節(jié)器、功率因數(shù)補(bǔ)償器等。

2.3 電路設(shè)計(jì)要求

 (1)TOPSwitch-II的反饋電路中需配光電耦合器與輸出電路隔離。設(shè)計(jì)精密開關(guān)電源時(shí)，還應(yīng)增加一片TL431型可調(diào)式精密關(guān)聯(lián)穩(wěn)壓器，由它構(gòu)成外部誤差放大器，來代替取樣電路中的穩(wěn)壓管。精密開關(guān)電源的電壓調(diào)整率Sv、電流調(diào)整率Sl均可達(dá)±0.2%左右，接近于線性集成穩(wěn)壓電源的指標(biāo)。

 (2)?wèi)?yīng)選用電流傳輸比（CTR）能線性變化的光電耦合器，如PC817A，NEC2501、6N137等型號(hào)，不推薦采用4N25、4N35等4N××型普通光耦。后者的線性度差，傳輸模擬信號(hào)時(shí)會(huì)造成失真，影響開關(guān)電源的穩(wěn)壓性能。

 (3)高頻變壓器的初級(jí)必須設(shè)置保護(hù)電路，用以吸收漏感引起的尖峰電壓，確保MOSFET不被損壞。這種保護(hù)電路應(yīng)并聯(lián)在初級(jí)上，具體有4種設(shè)計(jì)方案：①由瞬變電壓抑制二極管（TVS）和超快恢復(fù)二極管（SRD）組成鉗位電路；②由TVS與硅整流管（VD）構(gòu)成的鉗位電路；③由阻容元件與SRD構(gòu)成的吸收電路；④由阻容件與VD構(gòu)成的吸收電路。上述方案中以①的效果最佳，能充分發(fā)揮TVS響應(yīng)速度極快、可承受高能量瞬態(tài)脈沖之優(yōu)點(diǎn)。方案②次之。

 (4)使用芯片時(shí)需加合適的散熱器。對(duì)于TO-220封裝，可直接裝在小散板上。對(duì)于DIP-8和SMD-8封裝的可將4個(gè)源極焊在面積為2.3的印制板敷銅箔上代替散熱片。

 (5)為抑制從電網(wǎng)引入的干擾，也防止開關(guān)電源產(chǎn)生的干擾向外部傳輸，需在電源進(jìn)線端增加一級(jí)電磁干擾濾波器（EMI filter）亦稱電源噪聲濾波器（PNF）。

 (6)使用此類芯片時(shí)，源極引線要盡量短。為使空載或輕載時(shí)輸出電壓穩(wěn)定，應(yīng)在穩(wěn)壓電源輸出端接一只幾百歐的電阻作為最小負(fù)載，亦可并聯(lián)一只穩(wěn)壓管。

３ TinySwitch系列四端開關(guān)電源

TinySwitch是Power公司新推出的一種高效、小功率四端單片開關(guān)電源。因所構(gòu)成開關(guān)電源的體積很小，故稱TinySwitch微型開關(guān)系列。它比三端單片開關(guān)電源增加一個(gè)使能端，使用更加方便靈活。TinySwitch系列性優(yōu)價(jià)廉，外圍電路非常簡單，特別適合制作10W以下的微型開關(guān)電源或待機(jī)電源，是取代效率低、體積較大的小功率線性穩(wěn)壓電源的理想產(chǎn)品。

3.1TinySwitch的性能特點(diǎn)

 (1)TinySwitch有DIP-8、SMD-8兩種封裝形式、6種型號(hào)。產(chǎn)品分類見表2。盡管采用8腳封裝，實(shí)際上只有四個(gè)腳：S、D、BP（相當(dāng)于控制端）、EN（使能端），因此等效于四端器件。利用使能端可從外部關(guān)斷MOSFET，并且在快速上電時(shí)輸出電壓無過沖現(xiàn)象、掉電時(shí)MOSFET也無頻率倍增現(xiàn)象。

 (2)高效、小功率輸出。選220V交流電源時(shí)，其空載功耗低于60mW。它適宜制作0～10Ｗ的小功率、低成本開關(guān)電源，比線性穩(wěn)壓電源大約可節(jié)電38%。

 (3)采用開／關(guān)控制器來代替PWM對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。開／關(guān)控制器可等效為脈沖頻率調(diào)制器（PFM），其調(diào)節(jié)速度比普通的PWM更快，對(duì)紋波抑制能力更強(qiáng)。

 (4)與TOPSwitch-II相比，它在電路設(shè)計(jì)上頗具特色。第一，交流輸入端可省掉EMI濾波器；第二，初級(jí)保護(hù)電路不需使用TVS，僅用RC電路即可吸收尖峰電壓；第三，不用反饋線圈及相關(guān)電路，也不加回路補(bǔ)償元件；第四，芯片內(nèi)部增加了使能檢測(cè)與邏輯電路。

3.2TinySwitch的應(yīng)用

該系列產(chǎn)品適合制作手機(jī)電池恒壓恒流充電器、IC卡付費(fèi)電度表中的小型開關(guān)電源模塊，以及微機(jī)、彩電、攝錄像機(jī)等高檔家用電器中的待機(jī)電源。例如，目前生產(chǎn)的大屏幕彩電均具有待機(jī)功能，使用遙控器關(guān)閉電源之后，即進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。此時(shí)彩電中開關(guān)電源的功率開關(guān)管呈關(guān)斷狀態(tài)，改由待機(jī)電路繼續(xù)給CPU供電，使整機(jī)功耗降至最低。由TNY253P可構(gòu)成5V、1.3W的彩電待機(jī)電源。它利用彩電主電源產(chǎn)生的直流高壓作輸入電壓，的允許范圍是120～375V（視彩電型號(hào)而定），而Vo=+5V。使用一片TNY255P則可構(gòu)成PC機(jī)的5V、2A待機(jī)電源。由TNY254P構(gòu)成的+6.7V、3.6W手機(jī)電池恒壓、恒流充電器，能在85～265V交流輸入電壓范圍內(nèi)，對(duì)6V鎳氫（NIMH）電池充電。此外，TinySwitch還適合制作小型家電（如隨身聽）的適配器（adapter），將220V交流電源變成所需直流穩(wěn)壓電源。這種適配器不僅沒有笨重的變壓器，而且效率高、體積小、穩(wěn)壓性能好，能完全取代目前市售的各種插頭式AC/DC變換器。

4 MC33370系列五端單片開關(guān)電源

MC33370系列包括MC33369～MC33374五種規(guī)格、17種型號(hào)。以TO-220五腳直彎式封裝為例，其產(chǎn)品分類見表3。表中的RDS（ON）表示漏－源極導(dǎo)通電阻，ID（PK）代表漏極峰值電流。

4.1 MC33370的性能特點(diǎn)

 (1)它比TOPSwitch-II增加了電源端（Vcc）和狀態(tài)控制器的輸入端（State Control input）；芯片內(nèi)部增加了欠壓鎖定比較器、外部關(guān)斷電路和可編程狀態(tài)控制器。其性價(jià)比要優(yōu)于TOPSwitch-II，而外圍電路更趨簡單。

 (2)利用可編程狀態(tài)控制器及外部模式選擇電路，能實(shí)現(xiàn)多種控制方式（包括手動(dòng)控制、由微控制器MCU操作、數(shù)字電路控制、禁止操作等），實(shí)現(xiàn)工作狀態(tài)與備用狀態(tài)的互相切換。

 (3)內(nèi)部集成了一只被稱為“敏感場效應(yīng)管（Sense FET）”的電流傳感式功率開關(guān)管，用它能無功率損耗地實(shí)時(shí)檢測(cè)漏極電流ID的大小，進(jìn)行過流保護(hù)。

 (4)當(dāng)交流電源為固定值或變化率不超過±20%時(shí)，允許去掉高頻變壓器的反饋線圈以及相關(guān)的高頻濾波電路。這有助于進(jìn)一步簡化外圍電路，降低開關(guān)電源的成本。為滿足特殊應(yīng)用的需要，還可給開關(guān)電源增加軟啟動(dòng)功能。

(5)電源效率高。由它構(gòu)成開關(guān)電源或電源模塊的效率可達(dá)80%以上。在備用狀態(tài)下靜態(tài)功耗低至幾十至幾百毫瓦。

 (6)占空比調(diào)節(jié)范圍更寬，可達(dá)0.1～74%。脈寬調(diào)制增益的典型值為-14%／mA。芯片的工作結(jié)溫是-40～150℃，過熱保護(hù)溫度定為157℃（TOPSwitch-II僅為135℃）。

4.2 MC33370的應(yīng)用

MC33370系列可廣泛用于辦公自動(dòng)化設(shè)備、儀器儀表、無線通信設(shè)備及消費(fèi)類電子產(chǎn)品中，構(gòu)成高壓隔離式AC/DC電源變換器。在作特殊應(yīng)用時(shí)，還可去掉高頻變壓器的反饋繞組及快恢復(fù)二極管、濾波電容，改用穩(wěn)壓管或雙極型晶體管、MOS管來進(jìn)行串聯(lián)調(diào)整。此外，利用這種芯片還能制作高壓步進(jìn)電源。

參考文獻(xiàn)

１ Power．Supplemental Data Book and Design Guide,1998

２Motorola公司產(chǎn)品手冊(cè)，1999

３ 沙占友，新型特種集成電源及其應(yīng)用。北京：人民郵電出版社，1998.3

４ 沙占友等，新編實(shí)用數(shù)字化測(cè)量技術(shù)。北京：國防工業(yè)出版社，1998.1

（收稿日期：1999-11-15）