TOPSwitch?FX系列單片開關電源的原理與應用

?TOPSwitch?FX系列單片開關電源的原理與應用

?　　TOPSwitch?FX系列是美國PowerIntegrations公司繼TOPSwitch、TOPSwitch?Ⅱ之后，在2000年初推出的第三代單片開關電源產品。它不僅設計先進，功能完善，而且外圍電路簡單，使用非常靈活，“FX”即有靈活（flexible）之意。TOPSwitch?FX配外圍電路后，能實現多種控制功能，其中包括配微控制器（MCU）或通過局域網（LAN）遙控開關電源通／斷的功能。是目前設計75W以下高效率、多功能、單路或多路輸出反激式開關電源的最佳選擇。此外，該系列產品還可構成PC機的待機電源（StandbySupply）、機頂盒電源（Set?topBoxPowerSupply）、電源適配器、由微控制器控制的開關電源。

1性能特點及管腳功能

1.1性能特點

(1)該系列產品除具備TOPSwitch?Ⅱ系列的全部優點之外，還增加了軟起動、外部設定極限電流、過壓關斷、欠壓保護、過熱滯后關斷、遙控、同步等功能；

(2）只需改變開關頻率選擇端和多功能端的外部接線，即可實現14種控制功能：全頻工作方式，半頻工作方式，同時實現過壓和欠壓保護，僅過壓保護，僅欠壓保護，從外部設定極限電流，控制開關電源通／斷等；

(3)增加了外部可編程設定極限電流ILIMIT及頻率抖動功能，不僅使用方便，還能有效抑制高次諧波干擾；

(4)當開關電源的負載減輕時，它采取跳過周期的方式來降低占空比，使輸出電壓保持穩定。即使空載時也不用接假負載。

1.2管腳功能

TOPSwitch?FX系列包括TOP232P/G/Y、TOP233P/G/Y、TOP234P/G/Y共9種型號，尾綴P、G、Y分別表示DIP?8、SMD?8、TO?220?7B封裝。其最大輸出功率為75W。其中，TO?220?7B封裝有5個引出端，它們分別是控制端C，多功能端M，源極S，開關頻率選擇端F，漏極D。DIP?8和SMD?8封裝沒有F端，等效于四端器件。多功能端主要有6種功能：

（1）線路過壓（OV）保護；

（2）線路欠壓（UV）保護；

（3）利用線路電壓前饋來降低空比Dmax；

（4）從外部設定芯片的極限電流I′LIMIT；

（5）遙控（亦稱遠程通/斷）；

（6）外同步。

將開關頻率選擇端接源極時，開關頻率f=130kHz；接控制端時，開關頻率變成f／2=65kHz。若將M、F端均接S極，TOPSwitch?FX即工作在三端模式下，與TOPSwitch?Ⅱ相似。

2TOPSwitch?FX的工作原理

TOPSwitch?FX的內部框圖如圖1所示。主要由15部分組成：

（1）控制電壓源（由控制電壓UC向并聯調整器和門驅動級提供偏壓，而控制端電流IC則能調節占空比）；

（2）帶隙基準電壓源（給內部提供各種基準電壓）；

（3）頻率抖動振蕩器（產生鋸齒波SAW，時鐘信號CLK和最大占空比信號Dmax）；

（4）并聯調整器/誤差放大器；

（5）脈寬調制器（含PWM比較器和觸發器，通過改變控制端電流IC的大小，連續調節脈沖占空比）；

（6）過流保護電路；

（7）門驅動級和輸出級（內含耐壓為700V的功

率開關管MOSFET）；

（8）具有滯后特性的過熱保護電路（當芯片結溫

Tj>135℃時關斷輸出級；當Tj<70℃時芯片才恢復正常工作）；

（9）關斷/自動重起動電路（當調節失控時，立即使芯片在低占空比下工作。倘若故障已排除，就自動重新起動電源恢復正常工作）；

（10）高壓電流源（提供偏流用）；

（11）軟起動電路；

（12）欠壓比較器；

（13）電流極限比較器；

（14）線路比較器；

（15）多功能端的內部電路。

TOPSwitch?FX的工作原理是利用反饋電流IC來調節占空比D，達到穩壓目的。舉例說明，當輸出電壓UO↑時，經過光耦反饋電路使得IC↑→D↓→UO↓,最終使UO不變。

2.1頻率抖動振蕩器及開關頻率的設定

所謂頻率抖動特性是指把開關頻率調制在很窄頻段內，以降低與基本開關頻率的各次諧波相關的電磁干擾的幅度。TOPSwitch?FX的內部振蕩器增加了“頻率抖動”功能。當基本開關頻率f1=130kHz時,開關頻率就以250次/s的速率在±4kHz的頻段內抖動,實際開關頻率f2=f1±△f1=（130±4）kHz=（126～134）kHz。由于f2是在窄范圍內偏移的可變頻率，因此能有效抑制由130kHz基頻及其高次諧波所產生的干擾。諧波次數愈高，頻率抖動的優點愈顯著。例如，用此法可將開關頻率的5次諧波噪聲的平均值衰減10dB以上。選擇半頻工作方式時，基本開關頻率為65kHz，抖動范圍是±2kHz，實際開關頻率f2=(63～67)kHz。

2.2脈寬調制器與最大占空比

當控制端電流IC在規定范圍內,而多功能端的輸入電流IM為定值時，脈寬調制器的輸出占空比D與IC成反比。PWM的增益為

K=△D／△IC=－22％/mA

實際上，占空比不僅與IC有關，還取決于IM值，這是它與TOPSwitch?Ⅱ的重要區別之一。

2.3跳過周期與最小占空比

如果開關電源的負載非常輕，以至于開關電源在最小占空比(Dmin=1.5％)之下所提供的輸出功率，仍然超過負載上的功耗，TOPSwitch?FX就采用跳過周期的工作方式進一步降低輸出功率，來提高輕載電壓的穩定性。根據負載變化情況，開關電源能在正常工作和跳過周期方式二者之間自動轉換，而無須其他控制。如不需要跳過周期，可在電源輸出端接上最小負載RLmin，使D>Dmin=1.5％。

2.4內部極限電流與外部可編程極限電流

TOPSwitch?FX的漏極極限電流，既可由內部設定，亦可從外部設定。這是它與TOPSwitch?Ⅱ的另一顯著區別。其內部自保護極限電流值見表1。TOPSwitch?FX在每個開關周期內都要檢測MOSFET漏－源極導通電阻RDS(ON)上的漏極峰值電流ID(PK)。當ID(PK)>ILIMIT時，過流比較器就輸出高電平，依次經過觸發器、主控門和驅動級，將MOSFET關斷，起到過流保護作用。為方便用戶使用，也可從外部通過改變多功能端的流出電流IM（用負值表示，單位是μA），來設定極限電流I′LIMIT值。I′LIMIT的設定范圍是（40％～100％）·ILIMIT。令KI=I′LIMIT/ILIMIT,KI表示極限電流的衰減因數，它與IM的關系曲線如圖2所示。使用時只需在M?S極之間接一只極限電流設定電阻RIL，通過改變RIL的阻值來調節IM的大小，即可從外部設定I′LIMIT值。以TOP233Y為例，其ILIMIT=1.00A(典型值)。當RIL=25kΩ時,I′LIMIT=40％·ILIMIT=0.4A。當RIL=6.7kΩ時,I′LIMIT=100％ILIMIT=1.0A。顯然，每改變一次RIL的阻值，就重新設定一次I′LIMIT值，這就是“可編程”的真正含義。

表1內部自保護極限電流值

通過控制流入（或流出）多功能端的電流IM，就能接通或關斷TOPSwitch?FX。這樣很容易用幾種不同方式來遙控TOPSwitch?FX。例如將通／斷信號（ON/OFF）經過晶體管或光耦合器加到M?S極之間，即可起動或關斷開關電源。這種遙控方式不僅損耗小、電路成本低，而且能省掉機械開關，并可利用微處理器控制導通與關斷脈沖。在噴墨打印機和激光打印機中常采用這種控制方法。

用ON激活方式控制開關電源通/斷的電路如圖3所示。通/斷控制信號（ON/OFF）通過NPN型晶體管VT接M端，亦可用光耦合器或手動開關來代替晶體管。當ON/OFF=1（高電平）時，VT導通，M端呈低電位。此時UC>UM，控制端就有電流經內部電路流入M端且不會出現欠壓或過壓狀態（即IUV3TOPSwitch?FX的典型應用

3.1多路輸出的35W機頂盒開關電源

機頂盒是互交式電視（ITV）的關鍵技術，利用它可提供數字廣播電視、視頻與音樂點播、卡拉OK、三維游戲、高速上網、在線購物、語音提示等功能強大的寬帶多媒體服務。具有五路輸出的35W機頂盒開關電源電路如圖4所示。這五路電壓分別為：UO1（＋30V、100mA）,UO2（＋18V、550mA）,UO3（＋5V、2.5A）,UO4(＋3.3V、3A),UO5(－5V、100mA)。其中，＋5V和＋3.3V作為主輸出，其余各路均為輔輸出。當交流輸入電壓UI=220VAC±15％時，總輸出功率達38.5W；若采用寬范圍電壓輸入（UI=85～265VAC），總輸出功率就降成25W。該電源采用3片IC：TOP233Y（IC1）；線性光耦合器LTV817A（IC2）；可調式精密并聯穩壓器TL431C（IC3）。為減小高頻變壓器體積和增強磁場耦合程度，次級繞組采用了堆疊式繞法。由R4和C14構成的吸收電路可降低射頻噪聲對電視機等視頻設備的干擾。必要時還可將開關頻率選擇端（F）改接控制端（C），選擇半頻方式以進一步降低電視機對視頻噪聲的敏感程度。

圖1TOPSwitch?FX的內部框圖

圖2KI與IM的關系曲線

圖3控制開關電源通/斷電路

圖4多路輸出的35W機頂盒開關電源電路

圖5由MCU控制的TOPSwitch?FZ單片開關電源

R6、R7和R8為比例反饋電阻，使5V和3.3V電源按照一定的比例進行反饋，這兩路輸出的負載調整率均可達±5％。R9和C16構成TL431C的頻率補償網絡。C17為軟起動電容，取C17=22μF時可增加4ms的軟起動時間，再加上本身已有10ms的軟起動時間，總共為14ms。其余各路輸出未加反饋，輸出電壓均由高頻變壓器的匝數比來確定。因－5V電源的輸出功率很低，現通過電阻R2和穩壓管VDZ2進行電壓調節。R9是＋30V輸出的假負載，它能降低該路的空載及輕載電壓。鑒于5V、3.3V和18V電源的輸出功率較大，三者都增加了后級LC濾波器（L3和C9、L4和C11、L2和C7），以減小輸出紋波電壓。

TOP233Y具有頻率抖動特性，這對降低電磁干擾很有幫助；再合理地選擇安全電容C15和EMI濾波器（C6、L1）的元件值，就能使開關電源產生的電磁輻射達到CISPR2（FCCB）國際標準。將C15的一端接UI的正極，能把TOP233Y的共模干擾減至最小。需要指出，C15和C6都稱作安全電容，區別只是C15接在高壓與地之間，能濾除初、次級耦合電容產生的共模干擾，在IEC950國際標準中稱之為“Y電容”。C6則接在交流電源進線端，專門濾除電網線之間的串模干擾，被稱作“X電容”。為承受可能從電網線竄入的雷擊電壓，在交流輸入端還并聯一只標稱電壓U1mA=275V的壓敏電阻器VSR。U1mA表示當壓敏電阻器上通過1mA的直流電流時元件兩端的電壓值。

3.2由MCU控制的TOPSwitch?FX單片開關電源

利用微控制器可對由TOPSwitch?FX構成的噴墨打印機、激光打印機等計算機外部設備中的開關電源進行控制，電路如圖5所示。開關電源部分主要由TOPSwitch?FX（IC1）、光耦合器（IC2）組成。控制電路則包括微控制器（MCU）、兩片LTV817A線性光耦合器（IC3、IC4）、按鈕開關SB。僅當按下SB時產生的信號才有效，抬起時信號不起作用。SB上不需要加防抖動電路，這是因為開關電源的軟起動時間（約10ms）和MCU的復位及初始化時間能起到延遲作用，可以避開按下SB時產生抖動干擾的時間；并且僅當開關被按下至少達到上述時間，才能通過MCU接通開關電源。這就要求必須將SB按到底，而不要輕輕點擊一下，以確保電源起動。MCU完成復位及初始化后檢測到IC3發來的開機信號，再通過IC4去鎖定開關電源。光耦IC3、IC4中的LED發光管和光敏三極管，分別用LED3和VT3、LED4和VT4表示?，F將LED3接在控制端與SB上端之間，VT3接在MCU的邏輯輸入端。常態下LED3上無電流通過，IC3不工作。MCU的邏輯輸出端經過隔離二極管VD6和電阻R4接LED4的正極。VT4則接在M、S端之間。因M端本身具有限流功能，故VT4不需要另加限流電阻。CM為多功能端的消噪電容。

當用戶首次按下SB時，VD4導通，M端經VD4與S極接通，TOPSwitch?FX即工作在三端模式，多功能端（M）和開關頻率設定端（F）不起作用，此時LED3上有電流通過，VT3就給MCU發出起動信號。若最初開關電源是處于關斷狀態（M端懸空）則首次按下SB時就接通電源，＋5V輸出電壓UCC為MCU提供工作電源電壓。MCU接收到起動信號后就令VT4導通，使開關電源保持在接通狀態，能夠正常輸出。當用戶再次按下SB時就發出關斷信號，MCU接收到信號后就執行關斷程序，將噴墨打印機的打印頭停在安全位置上。一旦執行完關斷程序，MCU就令VT4截止，將M端懸空，開關電源進入關斷模式，此時TOPSwitch?FX處于低功耗狀態，當UI=230VAC時芯片功耗僅為160mW。假如用作DVD中的開關電源時，關斷程序還能把數據和設定狀態一并存入E2PROM中，即使掉電后也不致于丟失。