TOPSwitch-Ⅱ系列芯片在功率集成开关电源中应用的研究

摘要：TOPSwitch-Ⅱ器件为三端单片开关电源，是一种将PWM和MOSFET合二为一的新型集成芯片。与普通线性稳压电源相比其优点为体积小、重量轻，并且密度高、价格低；采用它制作高频开关电源，不仅简化了电路，同时可以改善电源的电磁兼容性能，且降低了制作成本。介绍了一个多路输出开关电源的设计。 关键词：开关电源 高频 变压器 1 引言 电源是各种电子设备必不可缺的组成部分，其性能优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否可靠的工作。目前常用的直流稳压电源分线性电源和开关电源两大类。 开关电源其内部电路工作在高频开关状态，故自身消耗的能量低，电源效率可达80％，特别是1997年TOPSwitch-Ⅱ系列产品的问世，极大地简化了150W以下的开关电源的设计和新产品的开发工作，为新型、高效、低成本开关电源的推广与普及创造了条件。其性能特点如下： 1）PWM控制系统的全部功能均集成在三端芯片中。通过高频变压器使输出端与电网完全隔离，由于采用CMOS电路，使器件功耗显著降低，且可以采用体积较小的滤波元件和散热器； 2）它属于漏极开路输出，并且利用电流来线性调节占空比的AC／DC电源变换器，即电流控制型开关电源； 3）输入交流电压和频率的范围宽。作固定电压输入时可选110V／115V／230V交流电源，允许变化土15％；在宽范围输入时，适配85～265V交流电，但最大输出功率POM要降低40％，输出频率范围为47～440Hz； 4）开关频率的典型值为100kHz，允许范围90～110kHz，占空比调节范围1.7％～67％。 2 工作原理 TOPSwitch-Ⅱ的内部原理框图如图1所示。主要包括控制电压源、带隙基准电源、振荡器、并联调整器／误差放大器、脉宽调制器、门驱动级和输出级、过流保护电路、过热保护及上电复位电路、关断／自动重启电路、高压电流源等10个部分。 2．1 控制电压源 控制电压Vc能向并联调整器和门驱动级提供偏置电压，而控制端电流Ic。则能调节占空比。在C-S级间接一只47μF旁路电容CT，即可为门驱动级供给电流，并且由它决定自动重启动频率，同时控制环路的补偿。 2．2 带隙基准电压源 所谓带隙基准电压源是指硅半导体材料在热力学温度为0K时能带间隙电压，其数值约1.205V。它除向内部提供各种基准电压之外，还产生一个具有温度补偿并可调整的电流源，来精确设定振荡器频率和门驱动级电流。 2．3 振荡器 振荡器的内部振荡电容再所设定的上、下阈值电压UH，VL之间周期性地线性充、放电，便产生了脉宽调制器所需要的锯齿波（SAW）；与此同时还产生最大占空比信号（Dmax）和时钟信号（CLOCK）。为减小电磁干扰，提高电源效率，振荡频率（即开关频率）设计为100kHz，通过调节基准电流可提高频率准确度。需要指出，对于TOP-Switch而言，定义脉宽调制信号中的低电平时间t与周期T的百分比为占空比 D＝t／T•100％ 其最小典型值Dmin＝1.7％对应于空载；最大典型值Dmax=67％则对应于满载。 2．4 误差放大器 误差放大器的增益由控制端的动态阻抗Zc来设定，其典型值为15Ω。误差放大器的同相输入端接5.7V基准电压，作为参考电压；输出端接一只P沟道场效应管，起缓冲放大作用。控制端电压Vc经过Zc，P沟道场效应管和电阻RE分压后，获得反馈电压VFB，加至误差放大器的反相输入端。误差放大器将反馈电压VFB与5.7V基准电压进行比较之后，输出误差电流Ir。当Ir流过电阻RE时，就在其上形成了误差电压Vr，以此控制脉冲占空比。 控制端电流IC，可直接取自反馈电路，亦可接光耦反馈电路，由光耦合器输出控制电流并实现电气隔离，后者能提高控制灵敏度。 2．5 脉宽调制器 脉宽调制器是一个电流反馈式控制电路。它具有下述两层含义：第一，通过改变控制端电流IC的大小，能连续调节脉冲占空比，实现脉宽调制（PWM）。在IC＝2.0～6.0mA的范围内，IC↑→D↓；反之IC↓→D↑，二者成反比关系；第二，误差电压Vr经由RA，CA组成的截止频率为7kHz的低通滤波器，滤掉开关噪声电压之后，加至PWM比较器的同相输入端，再与锯齿波电压VJ进行比较，产生脉宽调制信号VPWM。VPWM通过与门Y1、或门H之后，可将触发器I置零，使Q＝0，把MOSFET关断；而时钟信号再把触发器I置位，Q=1，又使MOSFET导通，从而实现了脉宽调制信号的功率输出。时钟信号还起到同步作用。 综上所述，TOPSwitch-Ⅱ属电流控制型开关电源，控制电压Vc用来提供偏压，控制端电流Ic则调节占空比，它采用开关频率固定（100kHz）而占空比可调的工作方式。 3 应用电路设计 图2是选用TOPSwitch-Ⅱ系列产品TOP223设计的三端单片开关电源电路。性能指标是：输入电压为AC 220V；输出分为主输出V01∶10V,1.5A,15W；辅输出V02∶3V,0.1A,0.3W；总功率P0=15.3W。 它采用反激式功率变换电路。反激式功率变换对多路输出的负载有较好的自动平衡能力，是用于不同电压和电流等级的DC-DC变换。出于安全性的考虑，脱线式功率变换电路一定要用变压器将初、次级相互隔离。此外，大多数功率变换电路还需要电感来存储能量并作为输出脉宽调制波形的低通滤波器。由于反激式功率变换电路不需要额外的电感，其电路中的变压器可同时实现直流隔离、能量存储和电压转换的功能，所以相对于其他隔离式功率变换电路，反激式变换电路的元器件数目，特别是磁性元件的数目最少，在小功率应用中，成本低廉。 在单片开关电源中，采用2.50～36V可调式精密并联稳压器TL431作为稳压器件。用它来构成外部误差放大器，再与光耦合器组成隔离式光耦反馈电路。主输出作为主要反馈信号，其余各路输出按一定比例反馈。其工作原理是当输出电压U0发生波动时，经电阻分压后得到的取样电压就与TL431中的2.5V带隙基准电压进行比较，在阴极上形成误差电压，使LED的工作电流IF，产生相应变化，再通过光耦去改变控制端电流Ic的大小，调节TOPSwitch的输出占空比，使U0不变，达到稳压目的。可使电压调整卑和负载调整率均达到±0.2％，能与线性稳压电源相媲美。 4 高频变压器的设计 此开关电源设计的关键因素之一是变压器的设计。在此电路中，变压器不是真正意义上的变压器，而更多的是一个能量存储装置。在变压器初级导通期间能量存储在磁场中，关断期间存储的能量被传送给输出。初级电流和次级电流不是同时流动的。因此它更多的被认为是一个带有次级绕组的电感。 堆叠式绕法是变压器生产厂家经常采用的方法。各绕组的线径必须满足该路输出电流与其他路输出流过它上面电流总和的要求。其优点是能加强磁耦合，能改善轻载时的稳压性能，骨架上的引脚较少，并且制造成本也低。缺点是电压最低（或最高）的绕组须靠近初级，并为降低大电流时的漏感缺乏灵活性。参数的算法参照文献［3］，计算结果如下。 次级匝数为主输出取7匝，辅输出取3匝；初级匝数取91匝；反馈绕组取9匝；磁芯中最大磁通密度为0.2265T，取E-25磁芯截面积为0.42cm2；原边导线选用Ø0.230mm公制线规；次级1选用Ø0.710mm公制线规；次级2选用Ø0.180mm公制线规。 高频变压器的初级必须设置保护电路，由瞬变电压抑制二极管TVS（P6KE200）和超快恢复二极管SRD（BYV26C）组成钳位电路；用以吸收漏感引起的尖峰电压，确保MOSFET不被损坏。 理论分析和实践经验表明，电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。所以当频率从工频50Hz提高到2kHz，提高了400倍，用电设备的体积重量大体下降至工频设计的5％～10％。由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高，促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化，带来显著节能、节水、节约材料的经济效益，更可体现技术含量的价值。整个设计融入了印制版的布图，电磁兼容（EMC）以及功率因数修正（PFC）等问题的解决。 5 结束语 我们成功地研发了这套学生实验装置模板。便于学生掌握开关电源电路的工作原理。但近年来，有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去，构成了“智能化”功率模块（1PM），不但缩小了整机的体积，更方便了整机的设计制造。由此可见，模块化的目的不仅在于使用方便，缩小整机体积，更重要的是取消传统连线，把寄生参数降到最小，从而把器件承受的电应力降至最低，提高系统的可靠性。在传统功率电子技术中，控制部分是按模拟信号来设计和工作的。随着数字信号处理技术日趋完善成熟，对于智能化的开关电源，需要用计算机处理控制，避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰（提高抗干扰能力）、便于软件包调试和遥感遥测遥调，也便于自诊断、容错等技术的植人。这些数字化高新技术还有待于我们进一步地掌握。