摘 要：先容了三端离线式脉宽调制单片开关电源集成电路即TOP开关及其范例运用。
关键词：单片开关集成电路；开关电源
一、序言
开关电源自20世纪70年代开始运用以来，呈现出许多功能完备的集成掌握电路，使开关电源电路日益简化，事情频率不断提高，效率大大提高，并为电源小型化供应了广阔的前景。三端离线式脉宽调制单片开关集成电路TOP(Threeterminaloffline)将PWM掌握器与功率开关MOSFET合二为一封装在一起，已成为开关电源IC发展的主流。采取TOP开关集成电路设计开关电源，可使电路大为简化，体积进一步缩小，本钱也明显降落。
二、TOP开关构造及事情事理
1、构造
TOP开关集各种掌握功能、保护功能及耐压700V的功率开关MOSFET于一体，采取TO220或8脚DIP封装。少数采取8脚封装的TOP开关，除D、C两引脚外，别的6脚实际连在一起，作为S端，故仍系三端器件。三个引出端分别是漏极度D、源极度S和掌握端C。个中，D是内装MOSFET的漏极，也是内部电流的检测点，起动操作时，漏极度由一个内部电流源供应内部偏置电流。掌握端C掌握输出占空比，是偏差放大器和反馈电流的输入端。在正常操作时，内部的旁路调度端供应内部偏置电流，且能在输入非常时，自动锁定保护。源极度S是MOSFET的源极，同时是TOP开关及开关电源低级电路的公共接地点及基准点。
2、事情事理
TOP包括10部分，个中Zc为掌握真个动态阻抗，RE是偏差电压检测电阻。RA与CA构成截止频率为7kHz的低通滤波器。紧张特点是：
（1）前沿消隐设计，延迟了次级整流二级管反向规复产生的尖峰电流冲击；
（2）自动重起动功能，以范例值为5%的自动重起动占空比接通和关断；
（3）低电磁滋扰性（EMI），TOP系列器件采取了与外壳的源极相连，使金属底座及散热器的dv/dt=0，从而降落了电压型掌握办法与逐周期峰值电流限定;
（4）电压型掌握办法与逐周期峰值电流限定。
下面简要阐述一下：
（1）掌握电压源
掌握电压Uc能向并联调度器和门驱动极供应偏置电压，而掌握端电流Ic则能调节占空比。掌握真个总电容用Ct表示，由它决定自动重起动的定时，同时掌握环路的补偿，Uc有两种事情模式，一种是滞后调节，用于起动和过载两种情形，具有延迟掌握浸染；另一种是并联调节，用于分离偏差旗子暗记与掌握电路的高压电流源。刚起动电路时由D-C极之间的高压电流源供应掌握端电流Ic，以便给掌握电路供电并对Ct充电。
（2）带隙基准电压源
带隙基准电压源除向内部供应各种基准电压之外，还产生一个具有温度补偿并可调度的电流源，以担保精确设定振荡器频率和门极驱动电流。
（3）振荡器
内部振荡电容是在设定的上、下阈值UH、UL之间周期性地线性充放电，以产生脉宽调制器所须要的锯齿波（SAW），与此同时还产生最大占空比旗子暗记(Dmax)和时钟旗子暗记(CLOCK)。为减小电磁滋扰，提高电源效率，振荡频率（即开关频率）设计为100kHz，脉冲波形的占空比设定为D。
（4）放大器
偏差放大器的增益由掌握真个动态阻抗Zc来设定。Zc的变革范围是10Ω～20Ω，范例值为15Ω。偏差放大器将反馈电压UF与5.7V基准电压进行比较后，输出偏差电流Ir，在RE上形成偏差电压UR。
（5）脉宽调制器（PWM）
脉宽调制器是一个电压反馈式掌握电路，它具有两层含义。第一、改变掌握端电流Ic的大小，即可调节占空比D，实现脉宽调制。第二、偏差电压UR经由RA、CA组成截止频率为7kHz的低通滤波器，滤掉开关噪声电压之后，加至PWM比较器的同相输入端，再与锯齿波电压UJ进行比较，产生脉宽调制旗子暗记UB。
（6）门驱动级和输出级
门驱动级（F）用于驱动功率开关管(MOSFET)，使之按一定速率导通，从而将共模电磁滋扰减至最小。漏源导通电阻与产品型号和芯片结温有关。MOSFET管的漏源击穿电压U(bo)ds≥700V。
（7）过流保护电路
过流比较器的反相输入端接阈值电压ULIMIT，同相输入端接MOSFET管的漏极。此外，芯片还具有初始输入电流限定功能。刚通电时可将整流后的直流限定在0.6A或0.75A。
（8）过热保护电路
当芯片结温TJ>135℃时，过热保护电路就输出高电平，将触发器Ⅱ置位，Q=1，，关断输出级。此时进入滞后调节模式，Uc端波形也变成幅度为4.7V～5.7V的锯齿波。若要重新起动电路，需断电后再接通电源开关；或者将掌握端电压降至3.3V以下，达到Uc(reset)值，再利用上电复位电路将触发器Ⅱ置零，使MOSFET规复正常事情。
（9）关断/自起动电路
一旦调节失落控，关断/自动重起动电路立即使芯片在5%占空比下事情，同时割断从外部流入C真个电流，Uc再次进入滞后调节模式。倘若故障己打消，Uc又回到并联调节模式，自动重新起动电源规复正常事情。自动重起动的频率为1.2Hz。
（10）高压电流源
在起动或滞后调节模式下，高压电流源经由电子开关S1给内部电路供应偏置，并且对Ct进行充电。电源正常事情时S1改接内部电源，将高压电流源关断。
当TOP开关起动操作时，在掌握端环路振荡电路的掌握下，漏极度有电流流入芯片，供应开环输入。该输入通过旁路调度器、偏差放大器时，由掌握端进行闭环调度，改变Ir，经由PWM掌握MOSFET的输出占空比，末了达到动态平衡。
三、TOP开关的范例运用
1、12V/30W小功率开关电源
12V/30W小功率开关电源事理图如图2所示。该电源特性是：大略，直接可与220V互换电源连接，经桥式整流电容滤波后产生300V直流高电压起动开关电源事情。并且重量轻、体积小，接线大略外围元件少。
该电路特点是利用三极管Q1，二极管D8及电阻R5、R6组成过低压保护电路，当输入电压降落到一定程度时，Q1导通，掌握端C电位降落，TOP开关关闭，开关电源没有输出。
（1）输入电路
电网互换220V输入电压经桥式整流、电容滤波后产生300V直流高压起动开关电源事情。
（2）电源变换器部分
在该电路中，T2为高频变压器，个中：N1为低级绕组（35T）；N2为反馈绕组（15T）；N3为次级隔离输出绕组（7T）。
开关电源事情后，反馈绕组N2经整流、滤波、限流后送至TOP开关掌握极C，以调度TOP开关内部PWM占空比。当因某种缘故原由如负载变轻引起输出电压升高时，N2电压将升高，即流入TOP开关掌握端C的电流增加。在振荡电路的掌握下，漏极度D有电流流入芯片，供应开环输入，该输入通过旁路调度器、偏差放大器，由掌握端进行闭环调度，经由PWM掌握MOSFET的输出占空比，使其占空比线性减小，从而使输出电压低落，末了达到动态平衡，保持输出稳定。电路中并接于低级绕组N1两端的瞬态电压抑制二极管D5、电容C4及快速二极管D6组成钳位削峰电路。胁迫电感放电脉冲的最高电位，减少漏感抗引起的漏极度电压畸变。在实际绕制高频电源变压器时，为了减小漏感的影响，可采取低级与次级相互交叉的绕制方法。同时，采取自我屏蔽浸染较为良好的罐形磁芯，将线圈都用磁芯封在里边。
（3）反馈掌握回路
电容C6决定软起动规复韶光，C6、R5、R4、C5、D7决定掌握回路的零点。R4阻值过小，限流线性差，随意马虎导致TOP开关破坏；过大则调度线性差。在实验中取值为10kΩ
（4）输出回路
N3、D10、C8、D11构成输出回路。肖特基势垒整流二极管D10对高频变压器次级的高频方波电压进行整流，经低ESR值的电解电容滤波及双向瞬态电压抑制二极管D11削峰稳压后，供应给负载电路。R7既可改进电源本身的输出阻抗，又能小幅度地调度输出电压的范围，同时又可在电源空载时为电容C8供应放电回路。R7取值为430Ω。
2、12.5V/25W精密开关电源
12.5V/25W精密开关电源事理图如图3所示。由TOP204构成隔离式＋12.5V、2A（25W）开关电源电路，该电源的特性为：当互换输入电压U从85V变革到265V时，电压调度率为±0.2%；当负载电流从10%(0.2A)变革到100%(2A)时，负载调度率也达±0.2%，可与线性集成稳压电源相媲美。该电路的紧张特点是利用一片TL431(IC3)与光电耦合器(IC2)构成外部偏差放大器。它再与片内偏差放大器合营利用，对掌握电流进行风雅调度，从而大大提高了稳压性能。
四、结束语
由于TOP芯片内部完备集成了SMPS的全部功能，以是利用它设计出的开关电源周期短，本钱低，对付小功率电源，大略，体积小，重量轻。随着TOP开关系列的不断发展与改进，其在开关电源及其它运用领域中必将有着更加残酷的前景。
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