TOPSwitch-Ⅱ芯片在具體設計中應注意的事項

摘要：采用PWM控制器和MOSFET功率開關(guān)一體化的集成控制芯片是新一代開關(guān)電源設計的重要特點和趨勢。本文介紹了美國PI公司研制的單片開關(guān)電源集成芯片TOPSwitch-Ⅱ系列的特點及其在開關(guān)電源設計中的應用，并給出了設計中需要注意的幾個問題。同時給出了筆者在所設計的開關(guān)電源的連續(xù)模式與斷續(xù)模式下的漏源極電壓波形。

敘詞：單片開關(guān)電源 TOPSwitch 脈寬調(diào)制

1、 引言

　　近20年來，集成開關(guān)電源沿著下述兩個方向不斷開展。第一個方向是對開關(guān)電源的核心單元——控制電路實現(xiàn)集成化。1977年國外首先研制成功脈寬調(diào)制（PWM）控制集成電路，如比較常用的UC3842，MC3520，SG3524，UC3979，UC3942等控制芯片。第二個方向則是對中、小功率開關(guān)電源實現(xiàn)單片集成化。1994年美國電源集成公司（Power Integrations Inc）首先研制成功三端隔離、脈寬調(diào)制型反激式單片開關(guān)電源，被人們譽為“頂級開關(guān)電源”，其第一代產(chǎn)品為TOPSwitch系列，第二代產(chǎn)品為TOPSwitch-Ⅱ系列。

　　單片開關(guān)電源屬于AC-DC電源變換器，芯片的集成度很高，外圍電路簡單，通過輸入整流濾波器，可構(gòu)成世界通用的各種開關(guān)電源或電源模塊。電源效率比線性電源有顯著提高，體積和重量則大為減小。單片開關(guān)電源的迅速發(fā)展與應用，使人們多年追求的高性價比、無工頻變壓器式開關(guān)電源變成現(xiàn)實。

2、  TOPSwitch-Ⅱ芯片說明

　　TOPSwitch-Ⅱ系列器件包括TOP221-TOP227，是美國電源集成公司研制的三端隔離、脈寬調(diào)制型反激式單片開關(guān)電源，其封裝形式如圖1所示。TOPSwitch-Ⅱ提供TO-220，DIP-8和SMD-8三種封裝方式。三個管腳分別為控制端C（Control）、源極S(Source)和漏極D(Drain)。TO-220封裝形式可安裝外部散熱片。DIP-8內(nèi)部的引線框，可使用6個管腳將熱量直接從芯片傳送到電路板上，從而節(jié)省了使用散熱器的成本。

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　　其控制端有四個作用：第一，用電流I_C的大小來調(diào)節(jié)占空比D。當I_C從6mA減到2mA時，D就由1.7%增至67%。比例系數(shù)即為脈寬調(diào)制增益。第二，它與內(nèi)部并聯(lián)調(diào)制器/誤差放大器相連，能為芯片提供正常工作所需的偏流。第三，該端還作為電源支路和自動重啟動/補償電容的連接點，通過外接旁路電容來決定自動重啟動的頻率。第四，對控制回路進行補償?？刂齐妷篤_C的典型值為5.7V，極限電壓V_CM=9V，控制端最大允許電流I_CM=100mA。

　　漏極D與片內(nèi)功率開關(guān)管的漏極連通，漏-源擊穿電壓V_（BR）DS≥700V。

　　TOPSwitch-Ⅱ的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。該內(nèi)部電路一共包括10個部分。

（1）       控制電壓源

　　控制電壓V_C能向并聯(lián)調(diào)整器和門極驅(qū)動提供偏置電壓，而控制端電壓I_C則能調(diào)節(jié)占空比。在C-S極間接47μF的旁路電容C_T，即可為門極驅(qū)動供給電流，并且由它決定自動重啟動頻率，同時控制環(huán)路的補償。V_C有兩種工作模式，一種是滯后調(diào)節(jié)，用于啟動和過載兩種情況，具有延遲控制作用；另一種是并聯(lián)調(diào)節(jié)，用于分離誤差信號與控制電路的高壓電流源。則啟動電路是由高壓電流提供控制電流I_C，以便給控制電路供電并且對C_T充電。正常啟動波形如圖3所示。圖中V_D表示漏極電壓。當V_C首次達到5.7V時高壓電流源被關(guān)斷，脈寬調(diào)制器和功率MOSFET就開始工作。此后，I_C改由反饋電路提供。Z_C與外部阻容元件共同決定控制環(huán)路的補償特性。自動重啟動電路中的比較器具有滯后特性，它通過控制高壓電流源的通斷使V_C在4.7—5.7V范圍內(nèi)。

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（2）       帶隙基準電壓源

　　帶隙基準電壓源除向內(nèi)部提供各種基準電壓之外，還產(chǎn)生一個具有溫度補償并可調(diào)整的電流源，來精確設定振蕩器頻率和門極驅(qū)動電流。

（3）       振蕩器

　　內(nèi)部振蕩電容在所設定的上、下閾值電壓V_H，V_L之間周期性地線性充、放電便產(chǎn)生了脈寬調(diào)制所需要的鋸齒波（SAW）；與此同時還產(chǎn)生最大占空比信號（D_max）和時鐘信號（CLOCK）。為減小電磁干擾，提高電源效率，振蕩頻率（即開關(guān)頻率）設計為100kHz。定義漏極脈寬調(diào)制信號中的低電平時間t與周期T的百分比為占空比，有公式：D=t/T，其最小典型值D _min為17%，最大典型值D _max=67%。

（4）       誤差放大器

　　誤差放大器的作用是當加到控制端的反饋電流超過所需電流值時，就通過誤差放大器進行分流，確保V_C=5.7V。控制端電流I_C可直接取自反饋電路，亦可接光耦反饋電路，由光耦合器輸出控制電流并實現(xiàn)電氣隔離，后者能提高控制靈敏度。

（5）       脈寬調(diào)制器

①     通過改變控制端電流I_C的大小，能連續(xù)調(diào)節(jié)脈沖占空比，實現(xiàn)脈寬調(diào)制（PWM）。D與I_C呈線性關(guān)系。其曲線見圖4。在IC=2-6mA范圍內(nèi)，D與I_C呈反比關(guān)系。從圖可知，脈寬調(diào)制器的增益K=-16%/mA。

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②     誤差電壓V_r經(jīng)由R_A，C_A組成的截止頻率為7kHz低通濾波器，濾掉開關(guān)電壓噪聲之后，加至PWM比較器的同相輸入端，再與鋸齒波電壓V_J進行比較，產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號V_PWM?？傊?，TOPSwitch-Ⅱ?qū)儆陔娏骺刂菩烷_關(guān)電源，控制端電壓V_C用來掉供偏壓，控制端電流I_C則調(diào)節(jié)占空比。它采用開關(guān)頻率固定而占空比可調(diào)的工作方式，主要信號流程如下：

　　另外其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2內(nèi)還有門驅(qū)動級和輸出級、過流保護電路、過熱保護電路、關(guān)斷/自動重啟動電路、高壓電流源等。這里就不一一贅述。、

3、  設計中的注意事項

　　一般說來只要按照PI公司的典型電路來設計原理圖并制作PCB板并選取合適的元器件，就能夠?qū)崿F(xiàn)電路的基本的功率變換作用。但是設計一臺各種性能最優(yōu)化的開關(guān)電源還需要注意以下事項：

（1）       根據(jù)不同的功率選擇相應的TOPSwitch-Ⅱ芯片，并同時設計相應的變壓器。尤其是變壓器的勵磁電感和磁芯的體積的選取要合適，否則可能輸出的功率不能夠滿足要求。變壓器繞制時對氣隙的把握一定要合適，氣隙太大或會導致勵磁電感減小，同時可能會導致輸出功率不足。

（2）       典型應用電路圖5中的D₂和D₁一定要用快恢復的二極管，否則會導致電路不能正常工作。

（3）       曲型應用電路中的C₄在印制電路板的布局中和TOP芯片連接時布線一定要短、直，否則會導致電路不能正常運行。

（4）       為了減小電壓輸出的紋波和高頻噪聲，一般除了采用圖示典型應用電路中的電感和電容濾波外，還采用在變壓器輸出腳上套一塊小磁環(huán)，即可抑制高頻噪聲的產(chǎn)生。圖6（a）和（b）是加磁環(huán)和不加磁環(huán)的輸出電壓波形比較，通過比較可發(fā)現(xiàn)高頻噪聲明顯地降低了。不加磁環(huán)時高頻噪聲在2V左右，加上小磁環(huán)后減小到50mV。{{分頁}}

（5）       要想設計效率較高的開關(guān)電源，可設計成在滿負荷運行時使該電路工作在斷續(xù)狀態(tài)，但可能會導致所使用的芯片成本提高。如工作在連續(xù)狀態(tài)時，采用TOP223就可能滿足功率的要求，但為了提高效率，可能需要采用TOP224，同時變壓器的磁芯體積要求加，因此設計時要綜合考慮。圖7（a）和（b）分別為電源工作在連續(xù)和斷續(xù)狀態(tài)時的D-S的電壓波形。

4、  結(jié)語

　　TOPSwitch-Ⅱ芯片簡單好用，并且容易設計。本人曾經(jīng)采用TOPSwitch-Ⅱ芯片設計出5—120W系列開關(guān)電源，效率達到83%以上。相信讀者按照以上規(guī)則再查閱PI公司的相關(guān)資料，一定會很快地設計出一臺基本滿足要求的小功率電源。但要想各方面性能都令人滿意，需要很強的實踐經(jīng)驗和扎實的理論基礎并且不斷地摸索才能成功。本人結(jié)合自己的親身實踐，對TOPSwitch-Ⅱ芯片進行了詳細的介紹，并給出了設計中應該重點考慮的事項。給出了該芯片工作時的一些波形。TOPSwitch芯片在單片開關(guān)電源芯片家族中占有重要的地位，它簡單實用，開發(fā)周期短，性能價格比高，目前已經(jīng)應用在許多領(lǐng)域，相信隨著人們對此芯片了解的逐漸加深圳，TOPSwitch-Ⅱ芯片會得到更加廣泛的應用。