TOPSwitch器件在電源中的應(yīng)用

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(shè)計(jì)的重要特點(diǎn)和趨勢(shì)。本文介紹美國(guó)功率集成公司（PowerIntegrationsInc.）于九十年代中期研制推出的三端PWM/MOSFET二合一集成控制器件TOPSwitch系列及其在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，同時(shí)介紹如何應(yīng)用EXCEL電子表格設(shè)計(jì)與TOPSwitch相匹配的高頻功率變壓器的程序。

1引言

　　MOSFET功率開關(guān)、PWM控制器和高頻功率變壓器是開關(guān)電源必不可少的組成部分。其中，特別是PWM控制器和變壓器的設(shè)計(jì)是開關(guān)電源設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

　　傳統(tǒng)開關(guān)電源設(shè)計(jì)一般均采用分立的MOSFET功率開關(guān)和多引腳的PWM集成控制器，電路的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，系統(tǒng)的穩(wěn)定性不夠理想，分立的MOSFET功率開關(guān)對(duì)開關(guān)電源的效率亦有限制。為了解決傳統(tǒng)開關(guān)電源設(shè)計(jì)面臨的這些難題，90年代以來，出現(xiàn)了將開關(guān)電源中最重要的兩個(gè)部分——PWM集成電路和MOSFET功率開關(guān)，集成在同一塊芯片上，構(gòu)成PWM/MOSFET二合一集成芯片的趨勢(shì)，二合一集成控制芯片的問世，降低了開關(guān)電源設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，減少了開關(guān)電源設(shè)計(jì)所需的時(shí)間，從而大大加快了產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)的速度。

　　二合一集成控制芯片多采用3腳、4腳、5腳、7腳和8腳封裝，交流輸入電壓為世界各國(guó)均可通用的(85～265)V或(90～270)V，開關(guān)頻率為(30～220)kHz，輸出功率從10W到200W，可在充電器、VCR、打印機(jī)、適配器、轉(zhuǎn)接器、衛(wèi)星接收器、個(gè)人電腦、監(jiān)視器和彩電等設(shè)備的開關(guān)電源中廣泛應(yīng)用，美國(guó)功率集成公司（PowerIntegrationsInc.）于九十年代中期研制推出的三端脫線式TOPSwitch系列二合一集成控制器件，大多采用3腳的TO?220封裝，其引腳數(shù)目是目前同類產(chǎn)品中最少的，因而是該類器件的代表性產(chǎn)品。

2TOPSwitch器件簡(jiǎn)介

　　TOPSwitch系列器件是三端脫線式PWM開關(guān)（Three?terminalOff?linePWMSwtich）的英文縮寫。TOPSwitch系列器件主要包括下列型號(hào)：TOP100～TOP104，TOP200～TOP204/TOP214，TOP209/TOP210。

　　TOPSwitch系列器件僅用了三個(gè)管腳就將脫線式開關(guān)電源所必需的具有通態(tài)可控柵極驅(qū)動(dòng)電路的高壓N溝道功率的MOS場(chǎng)效應(yīng)管，電壓型PWM控制器，100kHz高頻振蕩器，高壓起動(dòng)偏置電路，帶隙基準(zhǔn)，用于環(huán)路補(bǔ)償?shù)牟⒙?lián)偏置調(diào)整器以及誤差放大器和故障保護(hù)等功能全部組合在一起了。采用TOPSwitch器件的開關(guān)電源與采用分立的MOSFET功率開關(guān)及PWM集成控制器的開關(guān)電源相比，具有以下特點(diǎn)：

　　（1）成本低廉。使用TOPSwitch器件，可減少20～50個(gè)元器件，使產(chǎn)品的大小和重量減少50％；TOPSwitch因采用了源極調(diào)節(jié)板和可控的MOSFET通態(tài)驅(qū)動(dòng)，故電磁干擾(EMI)和EMI濾波器的成本可明顯降低；

　?。?）系統(tǒng)效率高。TOPSwitch系采用CMOS工藝制作，并在芯片中集成了盡可能多的功能，故與采用二極管或分立的功率開關(guān)電路相比，偏置電流顯著降低；開關(guān)電源所需的功能集成于芯片中后，外部的電流傳感電阻和初始起動(dòng)偏壓電流的電路均可除去，系統(tǒng)效率大大提高。特別是TOPSwitch器件專門針對(duì)反激式功率變換電路進(jìn)行了優(yōu)化，使最大值占空比可達(dá)70％，TOP100～TOP104，TOP200～TOP204/TOP214的效率可達(dá)90％，TOP209/TOP210的效率也可超過80％；

　　（3）電源設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化。TOPSwitch器件在3腳的TO?220封裝中集成了PWM控制器和高壓MOSFET功率開關(guān)，只需外接一個(gè)電容就能實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償、旁路、起動(dòng)和自動(dòng)重起功能。另外，美國(guó)功率集成公司還為TOPSwitch器件提供了許多標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的電路板，使應(yīng)用TOPSwitch的設(shè)計(jì)更為方便，極大地縮短了產(chǎn)品開發(fā)至進(jìn)入市場(chǎng)所需的時(shí)間；

　?。?）應(yīng)用靈活性高。TOPSwitch器件支持降壓型、升壓型、正激式和反激式功率變換電路，并且很容易和光耦及變壓器初級(jí)的反饋電路結(jié)合，無(wú)論在連續(xù)傳導(dǎo)模式和不連續(xù)傳導(dǎo)模式下均可工作；

　?。?）功能完善的系統(tǒng)級(jí)故障保護(hù)。TOPSwitch具有自動(dòng)重起和逐周電流限制功能，故可對(duì)功率變壓器初級(jí)和次級(jí)電路的故障進(jìn)行保護(hù)。TOPSwitch還具有在片熱關(guān)閉選通功能，可在電路超負(fù)荷時(shí)有效地保護(hù)電源。

　　一般，TOP100～TOP104主要應(yīng)用于輸入電壓為100V或110VAC，功率在（0～60）W范圍內(nèi)的開關(guān)電源或功率在（0～110）W范圍內(nèi)采用功率因數(shù)校正(PFC)的開關(guān)電源。同樣適用于功率在（0～25）W范圍內(nèi)的無(wú)線通信、有線通信以及其他DC/DC變換的應(yīng)用。

　　TOP200～TOP204/TOP214則適于輸入電壓為100V，110V或230VAC，功率在（0～100）W范圍內(nèi)的開關(guān)電源〔如在三種輸入電壓下均能工作，則功率限制在（0～50）W范圍內(nèi)〕，或輸入為230V或277VAC，功率在（0～150）W范圍內(nèi)采用功率因數(shù)校正的開關(guān)電源。

　　由于TOP100～TOP104采用的是350V的MOSFET，TOP200～TOP204/TOP214采用的是700V的MOSFET，故后者能在輸入電壓更高、系統(tǒng)功率更大的應(yīng)用中使用。兩組器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全相同，均如圖1所示。

　　TOP100～TOP104和TOP200～TOP204/TOP214采用圖2(a)所示3腳的TO?220封裝，管腳定義如下：　　漏極——連接內(nèi)部MOSFET的漏極，在起動(dòng)時(shí)，通過內(nèi)部高壓開關(guān)電流源提供內(nèi)部偏置電流。

　　源極——連接內(nèi)部MOSFET的源極，是初級(jí)電路的公共點(diǎn)，電源回流和基準(zhǔn)點(diǎn)。

　　控制極——誤差放大電路和反饋電流的輸入端。在正常工作時(shí)，由內(nèi)部并聯(lián)調(diào)整器提供內(nèi)部偏流。系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)，可激發(fā)輸入電流，同時(shí)也是提供旁路、自動(dòng)重起和補(bǔ)償功能的電容連接點(diǎn)。

　　值得注意的是，TOP209/TOP210還特別為小功率備用電源應(yīng)用作了優(yōu)化，彌補(bǔ)了TOPSwitch系列在這一類應(yīng)用中的不足。應(yīng)用TOP209可以設(shè)計(jì)出性價(jià)比更高的開關(guān)電源，可為綠色或節(jié)能產(chǎn)品，如個(gè)人電腦、監(jiān)視器、UPS、復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)提供備用電源，還可在諸如電視、家用電器、工業(yè)控制器和個(gè)人電腦等產(chǎn)品中應(yīng)用。

　　TOP209/TOP210內(nèi)部結(jié)構(gòu)和TOP100～TOP104和TOP200～TOP204/TOP214的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相比只有細(xì)微的差別。不過，TOP209/TOP210采用的是8腳DIP封裝方式，如圖2(b)所示。

　　1997年，美國(guó)功率集成公司又推出了TOP

圖1TOPSwitch系列器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

(a)TO?220封裝(b)DIP?8封裝

圖2TOPSwitch器件管腳

圖3TOPSwitch?Ⅱ系列器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

Switch?Ⅱ系列器件。TOPSwitch?Ⅱ系列器件同TOPSwitch系列器件相比，內(nèi)電路作了許多改進(jìn)，器件對(duì)于電路板布局以及輸入總線瞬變的敏感性大大減少，故設(shè)計(jì)更為方便，性能又有了增強(qiáng)，性能價(jià)格比更高。與TOPSwitch系列器件相比，TOPSwitch?Ⅱ系列器件在輸入電壓為100V、115V或230VAC時(shí)，系統(tǒng)功率從（0～100)W提高到（0～150）W，在三種電壓下均可工作時(shí)，系統(tǒng)的功率從（0～50）W提高到（0～90）W，從而使得TOPSwitch?Ⅱ器件可在如電視、監(jiān)視器以及音頻放大器等許多新的應(yīng)用范圍內(nèi)使用。

　　TOPSwitch?Ⅱ系列器件包括TOP221～TOP227，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。美國(guó)功率集成公司為TOPSwitch?Ⅱ器件提供了多種封裝方式，其中8腳的PDIP封裝方式內(nèi)部的引線框，可使用6個(gè)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。

3TOPSwitch器件在不同功率變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

　　TOPSwitch系列器件可在降壓型、升壓型、正激和反激式功率變換電路中使用。

3?1降壓型（BUCK）功率變換電路

　　TOPSwitch器件在降壓型功率變換電路中的使用如圖4(a)所示。降壓型功率變換電路是最簡(jiǎn)單的PWM型DC/DC功率變換電路，動(dòng)態(tài)特性較好。但是，降壓型功率變換電路的缺點(diǎn)是輸入電流為脈動(dòng)的，極易產(chǎn)生電磁干擾；穩(wěn)態(tài)電壓比小于1，故只能降壓不能升壓，且只能提供單個(gè)輸出，不能提供多路輸出。

3?2升壓型（BOOST）功率變換電路

　　TOPSwitch器件在升壓型功率變換電路中的使用如圖4(b)所示。同降壓型功率變換電路相比，升壓型功率變換電路輸入電流是連續(xù)的，輸入源的電磁干擾減輕了。但是升壓型功率變換電路輸出側(cè)電流是脈動(dòng)的，輸出紋波較大；升壓型功率變換電路只能升壓而不能降壓；同樣只能提供單個(gè)輸出，不能提供多路輸出。

3?3正激式（FORWARD）功率變換電路

　　TOPSwitch系列器件在正激式功率變換電路中的應(yīng)用如圖4(c)所示。正激式功率變換電路是具有直流隔離的降壓型功率變換電路。由于加入了變壓器，正激式功率變換電路不但實(shí)現(xiàn)了輸入和輸出的直流隔離，而且不再受降壓型功率變換電路輸出電壓小于輸入電壓的限制，并可提供多路電壓輸出。

3?4反激式（FEEDBACK）功率變換電路

　　TOPSwitch系列器件在反激式功率變換電路中的應(yīng)用如圖4(d)所示。反激式功率變換電路同樣具有直流隔離功能。反激式功率變換電路中的變壓器，除

圖4TOPSwtich在不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的功率變換電路中的應(yīng)用

（a)BUCK(b)BOOST(c)FORWARD(d)FEEDBACK

了起隔離作用之外，還具有儲(chǔ)能的功能。理想情況下，初級(jí)和次級(jí)線圈中不會(huì)同時(shí)有電流存在。反激式功率變換電路輸出電壓不受輸入電壓的限制，亦可提供多路電壓輸出。

　　在設(shè)計(jì)脫線、隔離式開關(guān)電源時(shí)，圖4(d)所示反激式功率變換電路相對(duì)而言是一個(gè)最優(yōu)的選擇。

　　出于安全性的考慮，脫線式功率變換電路一定要用變壓器將初、次級(jí)相互隔離。此外，大多數(shù)功率變換電路還需要電感來存儲(chǔ)能量并作為輸出脈寬調(diào)制波形的低通濾波器。反激式功率變換電路則不需要額外的電感，因?yàn)殡娐分械淖儔浩骺赏瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)直流隔離、能量存儲(chǔ)和電壓轉(zhuǎn)換的功能，所以相對(duì)于其他隔離式功率變換電路，反激式變換電路的元器件數(shù)目，特別是磁性元件的數(shù)目最少，在小功率應(yīng)用中，成本低廉，頗具吸引力。不過，當(dāng)功率達(dá)到100W，輸出電流接近10A后，電路元器件所承受應(yīng)力的增大，使成本迅速增加，系統(tǒng)總成本可能會(huì)高于其他電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　若在反激式功率變換電路的變壓器上增加“反饋”線圈，則可直接得到與輸出電壓成正比的反饋電壓。這表示在初級(jí)電路中即可實(shí)現(xiàn)對(duì)次級(jí)電路的控制，不需要在初級(jí)電路和次級(jí)電路中使用光電耦合器或其他隔離的控制設(shè)備。反激功率變換電路中的變壓器，從嚴(yán)格意義上講只是相互耦合的電感。由于耦合電感直接牽涉到電、磁能量的轉(zhuǎn)換，所以磁性元件和磁路的設(shè)計(jì)，特別是變壓器的設(shè)計(jì)十分復(fù)雜。美國(guó)功率集成公司針對(duì)反激式功率變換電路對(duì)TOPSwitch器件進(jìn)行了優(yōu)化，并提供了EXCEL電子表格來設(shè)計(jì)反激式開關(guān)電源開發(fā)軟件，下一節(jié)介紹的就是應(yīng)用EXCEL電子表格來設(shè)計(jì)反激式開關(guān)電源的實(shí)例。

4應(yīng)用EXCEL電子有格來設(shè)計(jì)反激式開關(guān)電源

　　應(yīng)用EXCEL電子表格設(shè)計(jì)反激式開關(guān)電源是美國(guó)功率集成公司為引導(dǎo)設(shè)計(jì)師按給定系統(tǒng)的要求和規(guī)格，采用TOPSwitch系列器件求得滿意結(jié)果的電源設(shè)計(jì)而提出的一種方案。

　　脫線式開關(guān)電源設(shè)計(jì)，涉及電子工程領(lǐng)域的許多內(nèi)容：模擬和數(shù)字電路、二極管和MOS功率器件的特性、磁學(xué)、熱的考慮、安全要求、控制環(huán)路的穩(wěn)定性等等，因此，設(shè)計(jì)開關(guān)電路需要考慮大量相互之間關(guān)系復(fù)雜的設(shè)計(jì)變量。然而，由于TOPSwitch的高度集成性，許多設(shè)計(jì)問題已在芯片之內(nèi)得到了解決。芯片外部需解決問題極少，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)所需考慮的變量數(shù)目大大減少。加上TOPSwitch內(nèi)建環(huán)路穩(wěn)定性很高，所以，不但開關(guān)電源的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了，而且使得程序化設(shè)計(jì)成為可能。

　　開關(guān)電源的設(shè)計(jì)過程，本質(zhì)上就是對(duì)系統(tǒng)變量進(jìn)行反復(fù)計(jì)算和調(diào)整，使系統(tǒng)最優(yōu)化的過程。而在反激式功率變換電路中，需要反復(fù)計(jì)算的公式相對(duì)來說不太復(fù)雜。如果使用電子數(shù)據(jù)表格，那么設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的開關(guān)電源的時(shí)間可縮短到10分鐘。

　　表1是美國(guó)功率集成公司提供的可在個(gè)人電腦（PC）上的EXCEL程序中運(yùn)行的電子數(shù)據(jù)表格。運(yùn)用該電子表格，反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)所需計(jì)算的公式全部可由計(jì)算機(jī)來完成，具體步驟如下：

　?。?）根據(jù)應(yīng)用的要求和所使用的變壓器，選擇TOPSwitch器件以及所采用的電路（可從四種電路中任選一種，本例為反激式）。

　?。?）確定輸入變量的估計(jì)值，將其填入電子表格，得到中間參數(shù)和輸出參數(shù)的值。

　?。?）改變輸入變量值反復(fù)進(jìn)行計(jì)算，直到所選擇的輸出參數(shù)值滿足要求。

　　表中的B列填入輸入變量的值，C列和D列顯示中間參數(shù)和輸出參數(shù)的值，最終的輸出參數(shù)的值在D列。其中Krp是美國(guó)功率集成公司引入的一個(gè)新變量，定義為初級(jí)電路的電流紋波和電流峰值的比值，用來描述TOPSwitch漏極電流波形，以簡(jiǎn)化計(jì)算。

　　對(duì)于特定的應(yīng)用和變壓器，表中23個(gè)變量中的20個(gè)反復(fù)計(jì)算時(shí)是保持不變的。只有次級(jí)線圈圈數(shù)的Ns,電流紋波和峰值的比值Krp和初級(jí)繞組層數(shù)L三個(gè)變量在重復(fù)過程中需要改變?nèi)≈怠?/P>

　　所有參數(shù)在重復(fù)計(jì)算時(shí)，需要對(duì)最大磁通量密度Bm，氣隙長(zhǎng)度Lg，初級(jí)載流量CMA三個(gè)參數(shù)進(jìn)行檢查，判斷取值是否滿足要求。至于其他的參數(shù)，則是中間值或者是最終結(jié)果，供選擇或制造元器件的時(shí)候使用。

　　應(yīng)用電子表格進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，不斷改變Ns，Krp，L的值進(jìn)行重復(fù)計(jì)算，最后當(dāng)Bm，Lg，CMA均滿足要求時(shí)，一個(gè)基本的TOPSwitch反激式變壓器的設(shè)計(jì)就完成了。按此設(shè)計(jì)出的電源一般可以正常工作，在電源輸入電壓達(dá)到最小值時(shí)，功率傳輸比可達(dá)最大值。

5結(jié)語(yǔ)

　　三端脫線式PWM開關(guān)TOPSwitch系列器件，將MOSFET功率開關(guān)和PWM控制器集成在一塊芯片中，簡(jiǎn)化了脫線式PWM開關(guān)電源電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使得開關(guān)電源的效率和穩(wěn)定性大幅度提高，同時(shí)大大

表1TOPSwitch反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)電子表格

降低了開關(guān)電源的成本、體積、重量。這里特別要指出的是，美國(guó)功率集成公司所提供的電源設(shè)計(jì)程序——EXCEL電子表格，更是極大地簡(jiǎn)化了開關(guān)電源的設(shè)計(jì)過程。