【正文】 2．應(yīng)用領(lǐng)域 TOPSwitchⅡ 可廣泛用于儀器 儀表、筆記本電腦、移動(dòng)電話、電視機(jī)、 VCD 和DVD、攝錄像機(jī)、電池充電器及功率放大器等領(lǐng)域，并能構(gòu)成各種小型化、高密度及低成本的開(kāi)關(guān)電源模塊。外部?jī)H需接整流濾波器、高頻變壓器、初級(jí)保護(hù)電路、反饋電路和輸出電路。15%） 寬范圍輸入 （ 85265V AC） TOP221Y 12W 7W TOP222Y 25W 15W TOP223Y 50W 30W TOP224Y 75W 45W TOP225Y 100W 60W TOP226Y 125W 75W TOP227Y 150W 90W 表 TOPSwitchⅡ 的產(chǎn)品分類(lèi)及最大輸出功率 PCM DIP8 封裝（ P） /SMD8 封裝（ G） 產(chǎn)品型號(hào) 固定輸入（ 110/115/230V AC177。例如，當(dāng)由于某種原因致使開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓 UO升高時(shí) →經(jīng)過(guò)光耦反饋電路使 IC↑→誤差電壓 Urt↑→D↓→UO↓,使 UO保持不變；反之亦然。其工作溫度范圍為 070℃ ，芯片最高結(jié)溫 T=135℃ 。 開(kāi)關(guān)頻率典型值為 100KHz，占空比調(diào)節(jié)范圍為 %67%。15%交流電，若配用85265V 寬范圍變化 的交流電，則最大輸出功率要降低 40%。以控制端為例，它具有三項(xiàng)功能： ① 該端電壓 UC為片內(nèi)并聯(lián)調(diào)整器和門(mén)驅(qū)動(dòng)極提供偏壓； ② 該端電流 IC能調(diào)節(jié)占空比； ③ 該端還作為電源支路與自動(dòng)重啟動(dòng) /補(bǔ)償電容的連接點(diǎn)，通過(guò)外接旁路電容來(lái)決定自動(dòng)重啟動(dòng)的頻率，并對(duì)控制回路進(jìn)行補(bǔ)償。 TOPSwitchⅡ 只有三個(gè)引出 端：控制端 C、源極 S 和漏極 D，可同三端線性穩(wěn)壓器相媲美，能以最簡(jiǎn)方式構(gòu)成無(wú)工頻變壓器的反激式開(kāi)關(guān)電源。它屬于漏極開(kāi)路輸出的電流控制型開(kāi)關(guān)電源。 1． TOPSwitchⅡ 的性能特點(diǎn) TOPSwitchⅡ 內(nèi)部包括振蕩器、誤差放大器、脈寬調(diào)制器、門(mén)電路、高壓功率開(kāi)關(guān)管（ MOSFET）、偏置電路、過(guò)流保護(hù)電路、過(guò)熱保護(hù)及上電復(fù)位電路、關(guān)斷 /自動(dòng)重啟動(dòng)電路。 根據(jù)封裝形式， TOPSwitchⅡ 可劃分成三種類(lèi)型，即 TOP221YTOP227Y（ TO220 封裝）， TOP221PTOP224P（ DIP8 封裝）， TOP221GTOP224G（ SMD8封裝），產(chǎn)品分類(lèi)詳見(jiàn)表 和表 。它將單電壓輸入時(shí)的最大功率 100W 提高到 150W，電磁兼容性也得到增強(qiáng)，且具有更高的性能價(jià)格比。此外，由于 PWM 控制器和 MOSFET 功率開(kāi)關(guān)管是在管殼內(nèi)連接的 ，連線極短，這就消除了高頻輻射現(xiàn)象，改善了電源的電磁兼容性能，減小了器件對(duì)電路板布局和輸入總線瞬變的要求。這大大簡(jiǎn)化了電源電路，提高了可靠性，使得電源的設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單快捷。 三端單片開(kāi)關(guān)電源 TOPSwitch 器件是美國(guó)功率集成公司（ POWER Integrations Inc）于 20 世紀(jì) 90年代中期推出的新型高頻開(kāi)關(guān)電源芯片。其中， TOPSwitch、TOPSwitchⅡ 、 TinySwitch、 TNY256 和 TOPSwitchFX、 TOPSwitchGX 系列 ，均為美國(guó) PI 公司產(chǎn)品； MC33370 系列是 Motorola 公司產(chǎn)品； L4960、 L4970／ L4970A 系列為意 法半導(dǎo)體有限公司（ SGSThomson）產(chǎn)品。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 16 頁(yè) 圖 反饋電路的四種基本類(lèi)型 單片開(kāi)關(guān)電源的產(chǎn)品分類(lèi) [9] 目前生產(chǎn)的單片開(kāi)關(guān)電源主要有 TOPSwitch、 TOPSwitchⅡ 、 TinySwitch、TNY25 MC33370、 TOPSwitchFX、 TOPSwitchGX 幾大系列。%，能與線性穩(wěn)壓電源相媲美。 圖 （ c）是配備 TL431 的光耦反饋電路，其電路較復(fù)雜，但穩(wěn)壓性能最佳。這種反饋電路能使電壓調(diào)整率達(dá)到 177。由 VDZ 提供參考電壓 UZ，當(dāng)輸出電壓 UO 發(fā)生波動(dòng)時(shí)，在光耦內(nèi)部的 LED 上可獲得誤差電壓。 VDZ 的穩(wěn)定電壓一般為 22V，必須相應(yīng)增加反饋繞組的匝數(shù)，以獲得較高的反饋電壓 UFB ，滿足電路的需要。 圖 （ b）為改進(jìn)型基本反饋電路，只需增加一只穩(wěn)壓管 VDZ 和電阻 R1，即可使負(fù)載調(diào)整率達(dá)到 177。4KHz；當(dāng) f=65KHz時(shí)， Δf=177。5%。%～ 177。 它們的簡(jiǎn)化電路如圖 所示。因此，它適合于采用輸出功率較大的單片開(kāi)關(guān)電源和配尺寸較小的高頻變壓器。這就意味著儲(chǔ)存在高頻變壓器中的能量必須在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)完全釋放掉，其開(kāi)關(guān)電流波形呈三角形。綜上所述，連續(xù)模式適用于功率較小的單片開(kāi)關(guān)電源和配備尺寸較大的高頻變壓器。采用連續(xù)模式可減小初級(jí)峰值電流 IP和有效值電流 Irms,， 降低 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 15 頁(yè) 芯片的功耗。其開(kāi)關(guān)電流波形呈梯形。這兩種模式的開(kāi)關(guān)電源波形分別如圖（ a）和圖 (b)所示。當(dāng)變換器輸入電壓在一個(gè)較大范圍內(nèi)發(fā)生變化或負(fù)載在較大范圍內(nèi)變化時(shí)，必然跨越兩種工作方式。 單片開(kāi)關(guān)電源的兩種工作模式 單片開(kāi)關(guān)電源有兩種基本工作模式：一種是連續(xù)模式 CUM（ Continuous Mode），另一種是不連續(xù)模式 DUM（ Discontinuous Mode）。 反 之 ，VO↓→VF↓→IF↓→IC↓→D↑→VO↑,同樣起到穩(wěn)壓作用。當(dāng)由于某種原因（如交流電壓升高或負(fù)載變輕）致使 VO升高時(shí)，因 VZ2 不變，故 VF 就隨之升高，使 LED 的工作電流 IF 增大，再通過(guò)光耦合器使 TOPSwitch 的控制端電流 IC增大。 CT是控制端 C 的旁路電容。在 MOSFET 截止瞬間，初級(jí)極性則變?yōu)樯县?fù)下正，此時(shí)尖峰電壓就被 VDZ1 吸收掉。鉗位電路由瞬態(tài)電壓抑制器或穩(wěn)壓管 VDZ1，阻塞二極管 VD1 組成， VD1宜采用超快恢復(fù)二極管。交流電壓 VAC 經(jīng)過(guò)整流濾波后得到直流高壓 VI，經(jīng)初級(jí)繞組加至 TOPSwitch 的漏極上。高頻變壓器在電路中兼有能量存儲(chǔ)、隔離輸出和電壓變換這三大功能。由圖可見(jiàn)，高頻變壓器初級(jí)繞組 NP 的極性 與次級(jí)繞組 NS、反饋繞組 NF 的極性相反。 單片開(kāi)關(guān)電源不僅在整機(jī)電路設(shè)計(jì)、高頻變壓器設(shè)計(jì)、反饋電路、保護(hù)電路和關(guān)鍵元器件的選擇方面有許多獨(dú)到之處，而且特別適合用計(jì)算機(jī)來(lái)完成整個(gè)開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)工作，這已成為國(guó)際電源領(lǐng)域的一項(xiàng)新技術(shù)。由它構(gòu)成的開(kāi)關(guān)電源，在成本上與同等功率的線性穩(wěn)壓電源相當(dāng)，而電源效率顯著提高，體積和重量則大為減小。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 13 頁(yè) 2 單片開(kāi)關(guān)電源的工作原理和分類(lèi) 單 片開(kāi)關(guān)電源集成電路具有高集成度、高性?xún)r(jià)比、最簡(jiǎn)外圍電路、最佳性能指標(biāo)、能構(gòu)成高效率無(wú)工頻變壓器的隔離式開(kāi)關(guān)電源等優(yōu)點(diǎn)。 為了實(shí)現(xiàn)恒壓和恒流功能 ,需要對(duì)電源的輸出電壓和電流進(jìn)行檢測(cè)取樣 ,與電壓和電流設(shè)置值即參考值進(jìn)行比較 ,經(jīng)過(guò)負(fù)反饋放大調(diào)節(jié)控制 (P、 PI 或 PID)。第一路輸出為額定電壓+5V，額定電流 2A；第二路輸出為額定電壓 +12V，額定電流 ；第三路輸出為額定電壓 12V，額定電流 。 本課題的研究?jī)?nèi)容、研究方法 研究?jī)?nèi)容： 設(shè)計(jì)一個(gè)微機(jī)保護(hù)用開(kāi)關(guān)電源 ,分析各模塊的工作過(guò)程 ,確定器件參數(shù)。 、 重量輕 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源可將電網(wǎng)輸入的交流電壓直接整流，再通過(guò)高頻變壓器獲得各種不同交流電壓，這樣就可免去笨重的工頻變壓器，從而節(jié)省了大量的漆包線和硅鋼片，使電源體積縮小、重量減輕。 當(dāng)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源輸入的交流電壓在 150～ 250V 范圍內(nèi)變化時(shí)，都能達(dá)到很好的穩(wěn)壓效果，輸出電壓的變化在 2％以下。 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的優(yōu)越性主要表現(xiàn)在： 由于開(kāi)關(guān)管功率損耗小，因而不需要采用大散熱器。這種穩(wěn)壓電源的主要缺點(diǎn)是變換效率低，一般只有 35%60%；開(kāi) 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 12 頁(yè) 關(guān)穩(wěn)壓電源的調(diào)整工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，主要的優(yōu)越性就是變換效率高，可達(dá) 70%95%?，F(xiàn)代電子設(shè)備使用的電源大致有線性穩(wěn)壓電源和開(kāi)關(guān)電源兩大類(lèi)?？刂乒β史秶c GTO 相當(dāng)。 MCT 在高壓大功率變換器中是有發(fā)展前途的開(kāi)關(guān)器件，但達(dá)到 GTO 替代產(chǎn)品的水平及商業(yè)實(shí)用化還需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。 MCT 具有低的正向?qū)▔航?，在電流密度相同的情況下， MCT 的正向?qū)▔航当?MOSFET、GTR、 IGBT 要低。另一個(gè)為 N溝道場(chǎng)效應(yīng)管，專(zhuān)控制 MCT 關(guān)斷，稱(chēng)為 OFFFET。 6 MOS 門(mén)控晶閘管（ MCT） MCT 是在晶閘管的基礎(chǔ)上再集成一對(duì)場(chǎng)效應(yīng)MOS 管。 5 集成門(mén)極換流晶閘管（ IGCT） IGCT 芯片的基本圖形和結(jié)構(gòu)與常規(guī)的 GTO類(lèi)似，主要采用了特殊的環(huán)狀門(mén)極。而且由于關(guān)斷期間的不均勻性引發(fā)―擠流效應(yīng) ‖，使 GTO 關(guān)斷 dv/dt 限制在 5001000V/μs，需要體積大而笨重、昂貴的吸收電路。 IGBT 中的 NPT（非穿通型） IGBT 具有電壓高、速度快、損耗小、溫度特性好、熱阻小等特點(diǎn)，與 PT（穿通型） IGBT 相比有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。在高頻開(kāi)關(guān)電源中 IGBT 與 MOSFET成為功率開(kāi)關(guān)器件的主體。它兼有雙極型晶體管和場(chǎng)效應(yīng)晶體管的優(yōu)點(diǎn)。為防止 振蕩，一般在靠近柵極串聯(lián)一只小電阻，在柵源之間接瞬態(tài)抑制二極管或穩(wěn)壓管，驅(qū)動(dòng)電路至 MOSFET 柵極的引線越短越好，并盡量使 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 11 頁(yè) 用絞合線。這是因?yàn)榇蠖鄶?shù) MOSFET 的導(dǎo)通門(mén)檻電壓在 25V，又因柵源間氧化層擊穿電壓在 2030V。MOSFET 適用于高頻中、小功率開(kāi)關(guān)變換器的電子開(kāi)關(guān)及同步整流。在高頻（比如 100KHz）使用 MOSFET 比使用雙極結(jié)型晶體管具 有更多的好處，比如無(wú)載流子復(fù)合的存儲(chǔ)時(shí)間問(wèn)題、動(dòng)作速度快、工作頻率高、不存在二次擊穿、具有正溫度系數(shù)、多管并聯(lián)可自動(dòng)均流。直流輸入阻抗很高，交流阻抗與頻率有關(guān)。而達(dá)林頓連接的雙極結(jié)型晶體管 GTR 模塊，具有高電壓、大電流、絕緣良好等優(yōu)點(diǎn)，用于功率較大的 PWM 變換器。以下介紹幾種變換器中 使用的功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件 [7]。如：金屬焊接與切割電源、表面處理工程、環(huán)境保護(hù)、激光、電力系統(tǒng)、通信領(lǐng)域、蓄電池充電、風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電、電動(dòng)機(jī)調(diào)速、軍事裝備中的應(yīng)用。降壓式、升壓式、反轉(zhuǎn)式變換器的高壓輸出電路與副邊輸出電路之間沒(méi)有絕緣隔離，統(tǒng)稱(chēng)為斬波型直流變換器。當(dāng)開(kāi)關(guān)管 VT1 導(dǎo)通時(shí)，電感 L 儲(chǔ)存能量，二極管 VD1 截止，負(fù)載RL 靠電容 C 上次的充電電荷供電。這種電路又稱(chēng)為升降壓式反極性變換器。當(dāng)開(kāi)關(guān)管 VT1 截止時(shí)，電感 L 感應(yīng)出左負(fù)右正的電壓，該電壓疊加在輸人電壓上，經(jīng)二極管 VD1 向負(fù)載供電，使輸出電壓大于輸人電壓，形成升壓式變換器。 圖 降壓式變換器電路 6．升壓式變換器 升壓式變換器的穩(wěn)壓電路如圖 所示。當(dāng)開(kāi)關(guān)管 VT1 截止時(shí)，電感 L 感應(yīng)出左負(fù)右正的電壓，經(jīng)負(fù)載 RL 和續(xù)流二極管 VD1 釋放電感 L 中存儲(chǔ)的能量，維持輸出直流電壓不變。 圖 推挽式變換器電路 5．降壓式變換器 降壓式變換器的典型電路如圖 所示。 這種電路的優(yōu)點(diǎn)是兩個(gè)開(kāi)關(guān)管容易驅(qū)動(dòng)，主要缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)管的耐壓要達(dá)到兩倍電路峰值電壓。它屬于雙端式 變換電路，高頻變壓器的磁芯工作在磁滯回線的兩側(cè)。這種電路不僅適用于大功率電源，亦適用于小功率電源。 圖 自激式 開(kāi)關(guān) 變換器電路 自激式 開(kāi)關(guān) 變換器中的開(kāi)關(guān)管起著開(kāi)關(guān)及振蕩的雙重作用，也省去了控制電路。在VT1 截止時(shí)， L2 中沒(méi)有感 應(yīng)電壓，直流供電輸人電壓又經(jīng) R1 給 C1 反向充電，逐漸 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 8 頁(yè) 提高 VT1 基極電位，使其重新導(dǎo)通，再次翻轉(zhuǎn)達(dá)到飽和狀態(tài)，電路就這樣重復(fù)振蕩下去。當(dāng)接入電源后在 R1 給開(kāi)關(guān)管 VT1提供啟動(dòng)電流，使 VT1 開(kāi)始導(dǎo)通，其集電極電流 Ic 在 L1 中線性增長(zhǎng)，在 L2 中感應(yīng)出使 VT1 基極為正，發(fā)射極為負(fù)的正反饋電壓，使 VT1 很快飽和。電路使用的變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積也較大，因此這種電路的實(shí)際應(yīng)用較少。為滿足磁芯復(fù)位條件，