單片開關電源原理及應用

一、前言
開關電源自20世紀70年代開始應用以來，涌現出許多功能完備的集成控制電路，使開關電源電路日益簡化，工作頻率不斷提高，效率大大提高，并為電源小型化提供了廣闊的前景。三端離線式脈寬調制單片開關集成電路TOP(Threeterminaloffline)
將PWM控制器與功率開關MOSFET合二為一封裝在一起，已成為開關電源IC發展的主流。采用TOP開關集成電路設計開關電源，可使電路大為簡化，體積進一步縮小，成本也明顯降低。
二、TOP開關結構及工作原理
1、結構
TOP開關集各種控制功能、保護功能及耐壓700V的功率開關MOSFET于一體，采用TO220或8腳DIP封裝。少數采用8腳封裝的TOP開關，除D、C兩引腳外，其余6腳實際連在一起，作為S端，故仍系三端器件。三個引出端分別是漏極端D、源極端S和控制端C。其中，D是內裝MOSFET的漏極，也是內部電流的檢測點，起動操作時，漏極端由一個內部電流源提供內部偏置電流。控制端C控
制輸出占空比，是誤差放大器和反饋電流的輸入端。在正常操作時，內部的旁路調整端提供內部偏置電流，且能在輸入異常時，自動鎖定保護。源極端S是MOSFET的源極，同時是TOP開關及開關電源初級電路的公共接地點及基準點。

2、工作原理
TOP包括10部分，其中Zc為控制端的動態阻抗，RE是誤差電壓檢測電阻。RA與CA構成截止頻率為7kHz的低通濾波器。主要特點是：
（1）前沿消隱設計，延遲了次級整流二級管反向恢復產生的尖峰電流沖擊；
（2）自動重起動功能，以典型值為5%的自動重起動占空比接通和關斷；
（3）低電磁干擾性（EMI），TOP系列器件采用了與外殼的源極相連，使金屬底座及散熱器的dv/dt=0，從而降低了電壓型控制方式與逐周期峰值電流限制;
（4）電壓型控制方式與逐周期峰值電流限制。

下面簡要敘述一下：

（1）控制電壓源
控制電壓Uc能向并聯調整器和門驅動極提供偏置電壓，而控制端電流Ic則能調節占空比。控制端的總電容用Ct表示，由它決定自動重起動的定時，同時控制環路的補償，Uc有兩種工作模式，一種是滯后調節，用于起動和過載兩種情況，具有延遲控制作用；另一種是并聯調節，用于分離誤差信號與控制電路的高壓電流源。剛起動電路時由D-C極之間的高壓電流源提供控制端電流Ic，以便給控制電路供電并對Ct充電。
（2）帶隙基準電壓源
帶隙基準電壓源除向內部提供各種基準電壓之外，還產生一個具有溫度補償并可調整的電流源，以保證精確設定振蕩器頻率和門極驅動電流。
（3）振蕩器
內部振蕩電容是在設定的上、下閾值UH、UL之間周期性地線性充放電，以產生脈寬調制器所需要的鋸齒波（SAW），與此同時還產生最大占空比信號(Dmax)和時鐘信號(CLOCK)。為減小電磁干擾，提高電源效率，振蕩頻率（即開關頻率）設計為100kHz，脈沖波形的占空比設定為D。
（4）放大器
誤差放大器的增益由控制端的動態阻抗Zc來設定。Zc的變化范圍是10Ω～20Ω，典型值為15Ω。誤差放大器將反饋電壓UF與5.7V基準電壓進行比較后，輸出誤差電流Ir，在RE上形成誤差電壓UR。
（5）脈寬調制器（PWM）
脈寬調制器是一個電壓反饋式控制電路，它具有兩層含義。第一、改變控制端電流Ic的大小，即可調節占空比D，實現脈寬調制。第二、誤差電壓UR經由RA、CA組成截止頻率為7kHz的低通濾波器，濾掉開關噪聲電壓之后，加至PWM比較器的同相輸入端，再與鋸齒波電壓UJ進行比較，產生脈寬調制信號UB。

（6）門驅動級和輸出級
門驅動級（F）用于驅動功率開關管(MOSFET)，使之按一定速率導通，從而將共模電磁干擾減至最小。漏源導通電阻與產品型號和芯片結溫有關。MOSFET管的漏源擊穿電壓U(bo)ds≥700V。
（7）過流保護電路
過流比較器的反相輸入端接閾值電壓ULIMIT，同相輸入端接MOSFET管的漏極。此外，芯片還具有初始輸入電流限制功能。剛通電時可將整流后的直流限制在0.6A或0.75A。
（8）過熱保護電路
當芯片結溫TJ>135℃時，過熱保護電路就輸出高電平，將觸發器Ⅱ置位，Q=1，，關斷輸出級。此時進入滯后調節模式，Uc端波形也變成幅度為4.7V～5.7V的鋸齒波。若要重新起動電路，需斷電后再接通電源開關；或者將控制端電壓降至3.3V以下，達到Uc(reset)值，再利用上電復位電路將觸發器Ⅱ置零，使MOSFET恢復正常工作。
（9）關斷/自起動電路
一旦調節失控，關斷/自動重起動電路立即使芯片在5%占空比下工作，同時切斷從外部流入C端的電流，Uc再次進入滯后調節模式。倘若故障己排除，Uc又回到并聯調節模式，自動重新起動電源恢復正常工作。自動重起動的頻率為1.2Hz。
（10）高壓電流源
在起動或滯后調節模式下，高壓電流源經過電子開關S1給內部電
路提供偏置，并且對Ct進行充電。電源正常工作時S1改接內部電源，將高壓電流源關斷。
當TOP開關起動操作時，在控制端環路振蕩電路的控制下，漏極端有電流流入芯片，提供開環輸入。該輸入通過旁路調整器、誤差放大器時，由控制端進行閉環調整，改變Ir，經由PWM控制MOSFET的輸出占空比，最后達到動態平衡。
三、TOP開關的典型應用
1、12V/30W小功率開關電源
12V/30W小功率開關電源原理圖如圖2所示。該電源特性是：簡單，直接可與220V交流電源連接，經橋式整流電容濾波后產生300V直流高電壓起動開關電源工作。并且重量輕、體積小，接線簡單外圍元件少。
該電路特點是利用三極管Q1，二極管D8及電阻R5、R6組成過低壓保護電路，當輸入電壓降低到一定程度時，Q1導通，控制端C電位降低，TOP開關關閉，開關電源沒有輸出。
（1）輸入電路
電網交流220V輸入電壓經橋式整流、電容濾波后產生300V直流高壓起動開關電源工作。
（2）電源變換器部分
在該電路中，T2為高頻變壓器，其中：N1為初級繞組（35T）；N2為反饋繞組（15T）；N3為次級隔離輸出繞組（7T）。
開關電源工作后，反饋繞組N2經整流、濾波、限流后送至TOP開關控制極C，以調整TOP開關內部PWM占空比。當因某種原因如負載變輕引起輸出電壓升高時，N2電壓將升高，即流入TOP開關控制端C的電流增加。在振蕩電路的控制下，漏極端D有電流流入芯片，提供開環輸入，該輸入通過旁路調整器、誤差放大器，由控制端進行閉環調整，經由PWM控制MOSFET的輸出占空比，使其占空比線性減小，從而使輸出電壓下降，最后達到動態平衡，保持輸出穩定。電路中并接于初級繞組N1兩端的瞬態電壓抑制二極管D5、電容C4及快速二極管D6組成鉗位削峰電路。鉗制電感放電脈沖的最高電位，減少漏感抗引起的漏極端電壓畸變。在實際繞制高頻電源變壓器時，為了減小漏感的影響，可采用初級與次級相互交叉的繞制方法。同時，采用自我屏蔽作用較為良好的罐形磁芯，將線圈都用磁芯封在里邊。
（3）反饋控制回路
電容C6決定軟起動恢復時間，C6、R5、R4、C5、D7決定控制回路的零點。R4阻值過小，限流線性差，容易導致TOP開關損壞；過大則調整線性差。在實驗中取值為10kΩ
（4）輸出回路
　　N3、D10、C8、D11構成輸出回路。肖特基勢壘整流二極管D10對高頻變壓器次級的高頻方波電壓進行整流，經低ESR值的電解電容濾波及雙向瞬態電壓抑制二極管D11削峰穩壓后，提供給負載電路。R7既可改善電源本身的輸出阻抗，又能小幅度地調整輸出電壓的范圍，同時又可在電源空載時為電容C8提供放電回路。R7取值為430Ω。
2、12.5V/25W精密開關電源
12.5V/25W精密開關電源原理圖如圖3所示。由TOP204構成隔離式＋12.5V、2A（25W）開關電源電路，該電源的特性為：當交流輸入電壓U從85V變化到265V時，電壓調整率為±0.2%；當負載電流從10%(0.2A)變化到100%(2A)時，負載調整率也達±0.2%，可與線性集成穩壓電源相媲美。該電路的主要特點是利用一片TL431(IC3)與光電耦合器(IC2)構成外部誤差放大器。它再與片內誤差放大器配合使用，對控制電流進行精細調整，從而大大提高了穩壓性能。
四、結束語
由于TOP芯片內部完全集成了SMPS的全部功能，所以利用它設計出的開關電源周期短，成本低，對于小功率電源，簡單，體積小，重量輕。隨著TOP開關系列的不斷發展與改進，其在開關電源及其它應用領域中必將有著更加燦爛的前景。