利用TOP Switch设计的开关电源

1、利用TOP Switch设计的开关电源TOP Switch（Three Terminal Offline PWM Switch）是PI（Power Integration）公司最先研制成功的三端隔离式脉宽调制单片开关电源集成电路，其第一代产品以1994年问世的TOP100/200系列为代表，第二代则是1997年推出的TOP（221227）系列，而新推出的TOPGX系列（24X），除了功率继续有所增大之外，更是在前两代产品的基础上增加了不少功能，故可以看作第三代产品。本文以其第一、二代产品为例，介绍其特点、原理及应用。2TOP Switch集成芯片介绍2.1 特点与优点TOP Switch将MO

2、SFET与整套PWM控制系统集成在一个单片集成器件内，内部包含了MOSFET、PWM发生器、驱动电路、自动偏置电路、保护电路、高压启动电路和环路补偿电路等。由于它已经将电路各个功能部分都集成在片子内部，所以与常规的分立元件组成的电路相比，它有着以下明显优势。1)电路结构简单，效率高。它只有三个输出控制端，利用简单的外围器件就可以完成一个开关电源的控制功能，使电路结构得以简化，体积减小，提高可靠性。并且把驱动和开关器件集成在一个片子内部，有利于提高效率和功率密度。2)TOP Switch内部有一个高压小容量的NMOSFET输出管，该管具有导通电阻小、导通速度可以控制等特点，因而可以减小开关电压变

3、化率，进而减小EMI。3)片子内部集成了脉冲前沿中断检测电路、输入欠压封锁电路、输出过压保护电路、关机自动恢复工作电路等保护电路，可以避免因各种故障引起的不良后果。2.2 外部封装和引脚功能前两代产品都采用图1所示的TO220或DIP/SMD8的封装形式。其中，后者可以根据引脚功能而简接成同TO220封装一样的3个引脚的形式，即只有D（漏极）、S（源极）和C（控制极）简接成同TO220封装一样的3个引脚的形式，即只有D（漏极）、S（源极）和C（控制极）三个功能引脚。其中，13脚的S内部相连，作为信号地，接旁路电容的负极。68脚的S在片子内部也是相连的，是高压返回端（HV RTN），即功率地。在

4、布置电路时，应该将他们安排在地线区域的不通位置上，这样可以避免主电路的大电流流过功率地线时对控制端产生影响。漏极引脚（Drain）：该引脚是输出MOSFET的漏极连接端。漏源击穿 在正常使用中，C接到输出反馈。控制电压Vc的典型值为5.7V，极限值Vcm7.0V，控制端最大允许电流Icm100mA。源极引脚（Source）：输出MOSFET的源极连接端。开关电源一次主电路的公共接地点和基准点。使用中，接主电路整流电源的负极。2.3 内部结构图2TOP Switch内部图框该电源的交流输入电压范围为85265Vac，经EMI滤波、整流、C2滤波之后，得到直流电压。变压器一、二次绕组的变比可以设定

5、输出电压大小。电路刚上电时，TOP内部高压电流源直接提供控制极电流Ic，使得片子启动，电路开始工作。电路正常工作后，Ic将由反馈网络提供，同时通过调节内部PWM的占空比实现对输出电压的自动调节。反馈网络由偏置绕组Ns、VD3（IN4148）、电容C4、R1、光耦IC2（NEC2501-H）和稳压管VD22（N5995B）组成。Ns端电压经过VD3整流和C4滤波后，得到一个偏置电压。稳压管VD22（N5995B）、电阻R1和光耦IC2（NEC2501-H）则可通过控制光耦初级发光管的电流If实现对输出电压的调整。其中R1是VD22的限流电阻，同时又可以决定控制环路的增益。根据光耦特性，可以把光耦

6、看作一个电流控制电流源（CCCS），次级电流Ic受初级电流If控制，且在一定的范围内，两者是成正比的，即 。所以，如果输出电压有波动，必然会引起If的同方向变化，于是引起Ic的变化使得PWM占空比往反方向变动，从而将输出电压稳定下来。比如，若是输出电压偏低了，经过稳压管的作用，反馈网络的原边电流If必将降低，因而Ic也会降低。由于PWM占空比是跟Ic反方向变化的，所以占空比就会增加，从而使得输出电压升高，保持了输出电压的稳定。电路中除整流桥之外，所使用的二极管都是快恢复的，反向恢复 ，以适应100KHz的开关频率。C5（47uF）是控制端旁路电容，可以对控制环路进行补偿，同时还决定着自动重启动

7、的频率。并在变压器原边的VDZ1（P6KE150）是顺态电压抑制器（TVS），其嵌位电压为150V，嵌位时间为1ns，功耗不超过5W。它与反串的二极管VD1（UF4005）一起组成漏极嵌位电路，一方面可以将高频变压器漏感产生的瞬时电压嵌位在安全电压以下，同时可以作为变压器消磁回路，防止饱和。输出端接R2作为电源的假负载，可以在电路轻载或空载时依然保证良好的输出电压和调整特性，避免电压漂移。输出LC滤波器可以显著地减少开关频率的输出纹波和高频噪声，但是也可能会因为L、C的附加相移使电路不稳定。因此本电路中反馈网络的光藕连接到L1与整流器间，以避免附加相移引起不良后果。4应用中需要注意的问题1）布

8、线时，S引脚的引线应该非常短，旁路电容应尽可能靠近S和C引脚，同时，S脚应单点接地，以避免主电路的工作电流对控制信号造成干扰。2）在某些条件下，从外部给控制引脚加入电压或电流，能够使TOP Switch永远保持在8个自动回复周期中的某一个周期内，并且能够防止开关电源自动重启动。3）在自动恢复工作过程中，当输入电压低于20V时，控制引脚电流很小，这样会增加自动恢复循环的周期。所以，应避免输入电压过低。4）交流输入电源短时中断后，开关电源再次工作前，片子进入自动恢复过程。这是因为电容器中存储的能量没有立即释放完，并且当控制引脚电压低于内部上电复位电压时，接在控制引脚上的电容将不能放电。5结 语TOP Switch系列产品一问世便显示出了强大的生命力和发展前景，因为它们可以使得250W以下小功率开关电源的电