【文章內(nèi)容簡介】 流濾波 功率轉(zhuǎn)換電路 高頻變壓器 輸出整流濾波 取樣器 比較器 脈寬調(diào)制 振蕩器 基準(zhǔn)電壓 DC AC 9 電壓，經(jīng)整流濾波后獲得所需要的直流輸出電壓，脈寬調(diào)制器是這類開關(guān)電源的核心，它能產(chǎn)生頻率固定而脈沖寬度可調(diào)的驅(qū)動符號，控制開關(guān)功率管的通斷狀態(tài)，來調(diào)節(jié)輸出電壓的高低達(dá)到穩(wěn)壓目的，鋸齒波發(fā)生器用于提供穩(wěn)定的時鐘頻率信號。利用誤差放大器和 PWM 比較器形成閉環(huán)調(diào)壓系統(tǒng)，加入由于某種原因是 Vo 升高時脈寬調(diào)制器就改變驅(qū)動信號的脈沖寬度，亦即改變占空比（ D），使斬波后的平均值電壓下降，導(dǎo)致 Vo 降低，反之亦然。 脈沖頻率調(diào)制式開關(guān)電源則是用固 定脈寬發(fā)生電路代替 PWM中的鋸齒波發(fā)生器，并且利用壓控振蕩器來完成 v/f 轉(zhuǎn)換。其穩(wěn)壓原理是：當(dāng) Vo 升高時，遙控制器輸出驅(qū)動信號的脈沖寬度入變窄而周期變短，使得占空比 D 下降。 Vo降低，反之亦然。見圖 19： 圖 19 脈寬調(diào)制式開關(guān)電源的工作原理 10 2 TOP SwitchⅡ芯片介紹 TOPSwitchⅡ系列的特點 美國功率集成公司（ PI公司）在 1994 年推出第一代 TOP Switch 芯片，1997 年，美國功率集成公司又推出了 TOP SwitchⅡ系列器件。 TOPSwitchⅡ系列器件和 TOP Switch 系列器件相比，內(nèi)電路作了許多改進(jìn)，器件對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)計更為方便，性能又有了增強(qiáng)，性能價格比更高。與 TOP Switch 系列器件相比， TOP SwitchⅡ系列器件在輸入電壓為 100V、 115V 或 230VAC 時，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，系統(tǒng)的功率從（ 0～ 50） W提高到（ 0～ 90） W，從而使得 TOP SwitchⅡ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。 TOP Switch 主要用于 AC/DC 轉(zhuǎn)換器，具有體積小，重量輕，寬輸入范圍（ 85V265V），提供了 PI Expert 專家系統(tǒng)設(shè)計軟件，便于用戶更快地設(shè)計出自已的產(chǎn)品。 TOPSwitchⅡ系列產(chǎn)品具有以下顯著特點： (1) 將脈寬調(diào)制 (PWM)控制系統(tǒng)的全部功能集成到三端芯片中。內(nèi)含脈寬調(diào)制器、功率開關(guān)場效應(yīng)管 (MOSFET)、自動偏值電路、保護(hù)電路、高壓啟動電路和環(huán)路補(bǔ)償電路，通過高頻變壓器使輸出端與電網(wǎng)完全隔離，真正實現(xiàn)了無工頻變壓器、隔離、反激式開關(guān)電源的單片集成化，使用安全可靠。由于采用 CMOS 電路，使器件功耗顯著降低。它不需要外接大功率的過流檢測電阻，外部也不必?fù)?dān)供啟動時的偏值電流。 (2) 它屬于漏極開路輸出并且利用電流來線性調(diào)節(jié)占空比的 AC/DC 電源變換器，即電流控制型開關(guān)電源。 (3) 輸入 交 流電 壓 和頻 率 的 范圍 極 寬。 作 固定 電 壓輸 入 時可 選110V/115V/230V交流電，允許變化177。 15%；在寬范圍電壓輸入時，適配 85~265V交流電，但 POM 值要比前者降低 40%，這是因為后者的工作條件更為苛刻，必須對輸出功率加以限制。輸入頻率范圍是 47~440HZ。以由 TOP223Y 構(gòu)成的 11 開關(guān)電源模塊為例，其電壓調(diào)整率 (又稱線性調(diào)整率 )SV=177。 %，負(fù)載調(diào)整率 (亦稱電流調(diào)整率 )S1=177。 %(均為典型值 )。若采用光耦反饋式并且外接由可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器 TL431 構(gòu)成的誤差放大器，則 SV、 S1 分別可以達(dá)到177。 %。 (4) TOPSwitchⅡ只有三個引出端，可以同三端線性集成穩(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、偏值及保護(hù)功能，其控制端屬于多功能引出端，實現(xiàn)了一腳多用。它具有連續(xù)和不連續(xù)兩種工作模式。反饋電路有 4 種基本類型， 能構(gòu)成各種普通型或精密型開關(guān)電源。 (5) 開關(guān)頻率的典型值為 100KHZ，允許范圍是 90~110KHZ，占空比調(diào)節(jié)范圍是 %~67%。 (6) 外圍電路簡單，成本低廉。外部僅需整流濾波器、高頻變壓器、漏極鉗位保護(hù)電路、反饋電路和輸出電路。由 TOPSwitchⅡ構(gòu)成 5W 以上的開關(guān)電源，在成本上可與相同功率的線性集成穩(wěn)壓電源相競爭。 (7) 電源效率高。由于芯片本身功耗很低，電源效率可達(dá) 80%左右，最高能達(dá)到 90%，因此被譽(yù)為“綠色” (節(jié)能型 )電源。 (8) 若 將它配以低壓差線性集成穩(wěn)壓器，則可構(gòu)成一種新型復(fù)合式開關(guān)電源，既保留了開關(guān)電源體積小、效率高之優(yōu)點，又具有線性穩(wěn)壓電源穩(wěn)定性好、紋波電壓低等優(yōu)良特性。此外，它還適配 L4960/L4970A 系列可調(diào)式單片關(guān)式集成穩(wěn)壓器，組成電壓連續(xù)可調(diào)、大電流輸出的復(fù)合式開關(guān)電源。 (9) 采用這種芯片能夠降低開關(guān)電源所產(chǎn)生的電磁干擾 (EMI)。 (10) 其工作溫度范圍是 0~70℃，芯片最高結(jié)溫 TJM=135℃。 TOPSwitchⅡ結(jié)構(gòu)組成 TOPSwitch Ⅱ的內(nèi)部框圖如圖 21 所示，主要包括 10 個部分： (1)控制電壓源； (2)帶隙基準(zhǔn)電壓源； (3)振蕩器； (4)并聯(lián)調(diào)整器／誤差放大器；(5)脈寬調(diào)制器； (6)門驅(qū)動級和輸出級； (7)過流保護(hù)電路； (8)過熱保護(hù)及上電復(fù)位電路； (9)關(guān)斷／自動重啟動電路； (10)高壓電流源。 Zc 為控制端的動態(tài)阻抗； RE 為誤差電壓檢測電阻； RA 與 CA 構(gòu)成截止頻率為 7kHz 的低 12 通濾波器。 TOPSwitchⅡ的基本原理是利用反饋電流 Ic 來調(diào)節(jié)占空比 D，從而達(dá)到穩(wěn)壓的目的。 圖 21 TOPSwitchⅡ 芯片的工作 原理圖 (1) 振蕩器：振蕩器通過內(nèi)部電容器線性地充放電，產(chǎn)生脈寬調(diào)制器所需的鋸齒波電壓。振蕩器設(shè)定為 100kHz 固定頻率，用于開關(guān)電源時，有助于提高效率和減少電磁干擾（ EMI）。 (2) 脈沖寬度調(diào)制器（ PWM）：流入控制極的電流在電阻 RE 兩端產(chǎn)生壓降，經(jīng) RC 濾波后，輸入到 PWM 控制器的同相端，與振蕩器輸出的鋸齒波電壓相比較，產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號。 PWM 控制器的輸出脈沖寬度與控制極電流 Ic成反比，該信號驅(qū)動 MOSFET 管，實現(xiàn)穩(wěn)壓控制。 (3) 柵極驅(qū)動電 路：柵極驅(qū)動電路按一定速率導(dǎo)通 MOSFET 管，同時為了提高精度，柵極驅(qū)動電路還可以實現(xiàn)逐周電流限制。逐周電流限制電路采用 MOSFET 管的導(dǎo)通電阻作為電流取樣電阻，限流比較器將 MOSFET 管導(dǎo)通時的漏源電壓 VDS（ ON）與設(shè)定的限流保護(hù)閾值作比較，當(dāng) VDS（ ON）大于閾值電壓時 MOSFET 管關(guān)閉，直到下一個周期。 13 (4) 誤差放大器：誤差放大器的同相端接 精密基準(zhǔn)電壓，反相端接控制極反饋取樣電壓，誤差放大器的增益由控制極的動態(tài)電阻 Zc 決定。 (5) 關(guān)閉 /自動重新啟動功能：為了減少 TOPSwitchⅡ芯片的功耗，當(dāng)電路超過調(diào)整狀態(tài)時，關(guān)斷 /自動重新啟動功能僅以 5%的占空比接通和關(guān)斷電源。 (6) 保護(hù)電路及尖峰抑制電路：保護(hù)電路有欠壓保護(hù)電路、過流保護(hù)電路和過熱保護(hù)電路。尖峰抑制電路用來防止比較器誤動作。小散熱片在內(nèi)部與 S 腳連接控制漏極。 TOPSwitchⅡ芯片的工作原理 TOP Switch 芯片是一個自偏置、自保護(hù)的電流占空比線性控制轉(zhuǎn)換器。通常在控制極和源極之間，緊靠其管腳，并聯(lián)一個外部旁路電容。 電源 啟動時，連接在漏極和源極之間的內(nèi)部高壓電流源向控制極充電，在 RE 兩端產(chǎn)生壓降，經(jīng) RC 濾波后，輸入到 PWM 比較器的同相端，與振蕩器產(chǎn)生的鋸齒波電壓相比較，產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號并驅(qū)動 MOSFET 管，因而可通過控制極外接的電容充電過程來實現(xiàn) 電路 的軟啟動。當(dāng)控制極電壓 Uc 達(dá)到 時，內(nèi)部高壓電流源關(guān)閉，此時由反饋控制電流向 Uc 供電。在正常工作階段，由外界 電路 構(gòu)成電壓負(fù)反饋控制環(huán)，調(diào)節(jié)輸出級 MOSFET 的占空比以實現(xiàn)穩(wěn)壓。當(dāng)輸出電壓升高時， Uc 升高，采樣電阻 RE 上的誤差電壓亦升高。而在與鋸齒波比較后，將使輸出電壓的占空比減小，從而使開關(guān)電源的電壓減小。當(dāng)控制 極電壓低于 時， MOSFET 管關(guān)閉，控制 電路 處于小電流等待狀態(tài)，內(nèi)部高壓電流源重新接通并向 Uc充電，其關(guān)斷 /自動復(fù)位滯回比較器可使 Uc保持在 ~ 之間。自動重啟 電路 具有一個八分頻計數(shù)器，可以阻止輸出級 MOSFET 再次導(dǎo)通，直到八個放電 充電周期完成為止。因此，在自動重啟期間，占空比控 制在 5%左右可有效地限制芯片的功耗。自動重啟動 電路一直工作到 Uc 進(jìn)入受控狀態(tài)為止。 該電源的穩(wěn)壓原理簡述如下：高頻變壓器初級繞組 NP 的極性與次級繞組 NS、反饋繞組 NF 的極性相反。在 TOPSwitch 導(dǎo)通時，次級整流管 VD2 截止，此時電能以磁能量形式存儲在初級繞組中；當(dāng) TOPSwitch 截止時， VD2 14 導(dǎo)通，能量傳輸給次級。高頻變壓器在電路中兼有能量存儲、隔離輸出和電壓變換這三大功能。圖中， BR 為整流橋， CIN 為輸入端濾波電容， COUT 是輸出端濾波電容。交流電壓經(jīng)過整流濾波后得到直流高壓，經(jīng)初級繞組加至TOPSwitch 的漏極上。在功率 MOSFET 關(guān)斷瞬間，高頻變壓器漏感會產(chǎn)生尖峰電壓，另外在初級繞組上還會產(chǎn)生感應(yīng)電壓 (即反向電動勢 )UOR，兩者疊加至內(nèi)部功率開關(guān)管 MOSFET 的漏極上，因此必須在漏極增加鉗位保護(hù)電路。鉗位電路由瞬態(tài)電壓抑制器或穩(wěn)壓管 VDZ1 和超快恢復(fù)二極管 VD1 組成 。 當(dāng)MOSFET 導(dǎo)通時，變壓器的初級極性上端為正，下端為負(fù)，從而導(dǎo)致 VD1 截止，因而鉗位電路不起作用。在 MOSFET 截止瞬間，初級 極性則變?yōu)樯县?fù)下正，此時尖峰電壓就被 VDZ1 吸收掉。 反饋繞組電壓經(jīng)過 VD CF 整流濾波后獲得反饋電壓 UF， 經(jīng)光耦合器中的光敏三極管給 TOPSwitch 的控制端提供偏壓。 CI 是控制端 C 的旁路電容。輸出電壓 Uo 通過電阻 R R2 分壓，與 TL431 中的 基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較后輸出誤差電壓 ， 然后通過光耦去改變控制端電流 。 TOPSwitch 的占空比 D與 IC（控制電流） 成反比， 是通過調(diào)節(jié) D 來穩(wěn)定輸出電壓的。比如： 當(dāng)某種原因使 Uo 減小， 將 導(dǎo)致 UF 減小， Ic 減小，進(jìn)而 D 增大 ， 又使 Uo 增大，最終使輸出電壓趨于穩(wěn)定 ， 反 之 亦然。 由此可見 ， 反饋電路正是通過調(diào)節(jié)TOPSwitch 的占空比 實現(xiàn)穩(wěn)壓的。 15 3 基于 TOP223Y 開關(guān)電源的設(shè)計 技術(shù)指標(biāo)和性能要求 小功率通用開關(guān)電源 應(yīng) 具 備 小功率通用開關(guān)電源紋波 小、 電壓低、效率高、體積小和重量輕等優(yōu)點。同時 還應(yīng) 實現(xiàn)欠壓、過壓 、 過流 、 過熱 等 電路工作異常時 的 保護(hù) 。具體 技術(shù)指標(biāo)為 如下 ： 交流輸入電壓 ： 220V（ 85V～ 265V）；電網(wǎng)頻率 ： 50Hz； 開關(guān)電源頻率 ：100KHz；額定輸出功率： 20W；負(fù)載調(diào)整率 SI： 4%～ +4%；電源效率 H：高于 70%；空載 功率損耗：低于 （ 230V 時）；輸出紋波電壓： 低 于 120mV。 選擇 TOPSwitch 芯片的型號 設(shè)電源的輸出總功率為 0P ，功率因數(shù)為η（一般取 =80%） ,則輸入功率為 0P /η，為了使芯片能穩(wěn)定運(yùn)行，另外還需要在考慮一定的設(shè)計余量（一般取 10%以上）。通過 TO220（ Y）封裝的 TOPSwitchⅡ系列芯片的負(fù)荷能力（見表 31），并且計算其功率值，選擇相應(yīng)的芯片。確認(rèn)選用 TOP223Y型號的芯片作為本次設(shè)計的芯片。 表 31 TO220（ Y）封裝的 TOPSwitchⅡ系列芯片的負(fù)荷能力 型號 單電壓輸入 110～ 230V 寬范圍輸入電壓 85～ 265V TOP221Y 12W 7W TOP222Y 25W 15W TOP223Y 50W 30W TOP224Y 75W 45W TOP225Y 100W 60W TOP226Y 125W 75W TOP227Y 150W 90W TOP223Y 的主要性能特點和元件選擇 TOP223Y 性能特點 TOP223Y 是 TO