TOPSwitch?FX系列单片开关电源的原理与应用

 TOPSwitch?FX系列单片开关电源的原理与应用

 　　TOPSwitch?FX系列是美国PowerIntegrations公司继TOPSwitch、TOPSwitch?Ⅱ之后，在2000年初推出的第三代单片开关电源产品。它不仅设计先进，功能完善，而且外围电路简单，使用非常灵活，“FX”即有灵活（flexible）之意。TOPSwitch?FX配外围电路后，能实现多种控制功能，其中包括配微控制器（MCU）或通过局域网（LAN）遥控开关电源通／断的功能。是目前设计75W以下高效率、多功能、单路或多路输出反激式开关电源的最佳选择。此外，该系列产品还可构成PC机的待机电源（StandbySupply）、机顶盒电源（Set?topBoxPowerSupply）、电源适配器、由微控制器控制的开关电源。

1性能特点及管脚功能

1.1性能特点

(1)该系列产品除具备TOPSwitch?Ⅱ系列的全部优点之外，还增加了软起动、外部设定极限电流、过压关断、欠压保护、过热滞后关断、遥控、同步等功能；

(2）只需改变开关频率选择端和多功能端的外部接线，即可实现14种控制功能：全频工作方式，半频工作方式，同时实现过压和欠压保护，仅过压保护，仅欠压保护，从外部设定极限电流，控制开关电源通／断等；

(3)增加了外部可编程设定极限电流ILIMIT及频率抖动功能，不仅使用方便，还能有效抑制高次谐波干扰；

(4)当开关电源的负载减轻时，它采取跳过周期的方式来降低占空比，使输出电压保持稳定。即使空载时也不用接假负载。

1.2管脚功能

TOPSwitch?FX系列包括TOP232P/G/Y、TOP233P/G/Y、TOP234P/G/Y共9种型号，尾缀P、G、Y分别表示DIP?8、SMD?8、TO?220?7B封装。其最大输出功率为75W。其中，TO?220?7B封装有5个引出端，它们分别是控制端C，多功能端M，源极S，开关频率选择端F，漏极D。DIP?8和SMD?8封装没有F端，等效于四端器件。多功能端主要有6种功能：

（1）线路过压（OV）保护；

（2）线路欠压（UV）保护；

（3）利用线路电压前馈来降低空比Dmax；

（4）从外部设定芯片的极限电流I′LIMIT；

（5）遥控（亦称远程通/断）；

（6）外同步。

将开关频率选择端接源极时，开关频率f=130kHz；接控制端时，开关频率变成f／2=65kHz。若将M、F端均接S极，TOPSwitch?FX即工作在三端模式下，与TOPSwitch?Ⅱ相似。

2TOPSwitch?FX的工作原理

TOPSwitch?FX的内部框图如图1所示。主要由15部分组成：

（1）控制电压源（由控制电压UC向并联调整器和门驱动级提供偏压，而控制端电流IC则能调节占空比）；

（2）带隙基准电压源（给内部提供各种基准电压）；

（3）频率抖动振荡器（产生锯齿波SAW，时钟信号CLK和最大占空比信号Dmax）；

（4）并联调整器/误差放大器；

（5）脉宽调制器（含PWM比较器和触发器，通过改变控制端电流IC的大小，连续调节脉冲占空比）；

（6）过流保护电路；

（7）门驱动级和输出级（内含耐压为700V的功

率开关管MOSFET）；

（8）具有滞后特性的过热保护电路（当芯片结温

Tj>135℃时关断输出级；当Tj<70℃时芯片才恢复正常工作）；

（9）关断/自动重起动电路（当调节失控时，立即使芯片在低占空比下工作。倘若故障已排除，就自动重新起动电源恢复正常工作）；

（10）高压电流源（提供偏流用）；

（11）软起动电路；

（12）欠压比较器；

（13）电流极限比较器；

（14）线路比较器；

（15）多功能端的内部电路。

TOPSwitch?FX的工作原理是利用反馈电流IC来调节占空比D，达到稳压目的。举例说明，当输出电压UO↑时，经过光耦反馈电路使得IC↑→D↓→UO↓,最终使UO不变。

2.1频率抖动振荡器及开关频率的设定

所谓频率抖动特性是指把开关频率调制在很窄频段内，以降低与基本开关频率的各次谐波相关的电磁干扰的幅度。TOPSwitch?FX的内部振荡器增加了“频率抖动”功能。当基本开关频率f1=130kHz时,开关频率就以250次/s的速率在±4kHz的频段内抖动,实际开关频率f2=f1±△f1=（130±4）kHz=（126～134）kHz。由于f2是在窄范围内偏移的可变频率，因此能有效抑制由130kHz基频及其高次谐波所产生的干扰。谐波次数愈高，频率抖动的优点愈显著。例如，用此法可将开关频率的5次谐波噪声的平均值衰减10dB以上。选择半频工作方式时，基本开关频率为65kHz，抖动范围是±2kHz，实际开关频率f2=(63～67)kHz。

2.2脉宽调制器与最大占空比

当控制端电流IC在规定范围内,而多功能端的输入电流IM为定值时，脉宽调制器的输出占空比D与IC成反比。PWM的增益为

K=△D／△IC=－22％/mA

实际上，占空比不仅与IC有关，还取决于IM值，这是它与TOPSwitch?Ⅱ的重要区别之一。

2.3跳过周期与最小占空比

如果开关电源的负载非常轻，以至于开关电源在最小占空比(Dmin=1.5％)之下所提供的输出功率，仍然超过负载上的功耗，TOPSwitch?FX就采用跳过周期的工作方式进一步降低输出功率，来提高轻载电压的稳定性。根据负载变化情况，开关电源能在正常工作和跳过周期方式二者之间自动转换，而无须其他控制。如不需要跳过周期，可在电源输出端接上最小负载RLmin，使D>Dmin=1.5％。

2.4内部极限电流与外部可编程极限电流

TOPSwitch?FX的漏极极限电流，既可由内部设定，亦可从外部设定。这是它与TOPSwitch?Ⅱ的另一显著区别。其内部自保护极限电流值见表1。TOPSwitch?FX在每个开关周期内都要检测MOSFET漏－源极导通电阻RDS(ON)上的漏极峰值电流ID(PK)。当ID(PK)>ILIMIT时，过流比较器就输出高电平，依次经过触发器、主控门和驱动级，将MOSFET关断，起到过流保护作用。为方便用户使用，也可从外部通过改变多功能端的流出电流IM（用负值表示，单位是μA），来设定极限电流I′LIMIT值。I′LIMIT的设定范围是（40％～100％）·ILIMIT。令KI=I′LIMIT/ILIMIT,KI表示极限电流的衰减因数，它与IM的关系曲线如图2所示。使用时只需在M?S极之间接一只极限电流设定电阻RIL，通过改变RIL的阻值来调节IM的大小，即可从外部设定I′LIMIT值。以TOP233Y为例，其ILIMIT=1.00A(典型值)。当RIL=25kΩ时,I′LIMIT=40％·ILIMIT=0.4A。当RIL=6.7kΩ时,I′LIMIT=100％ILIMIT=1.0A。显然，每改变一次RIL的阻值，就重新设定一次I′LIMIT值，这就是“可编程”的真正含义。

表1内部自保护极限电流值

通过控制流入（或流出）多功能端的电流IM，就能接通或关断TOPSwitch?FX。这样很容易用几种不同方式来遥控TOPSwitch?FX。例如将通／断信号（ON/OFF）经过晶体管或光耦合器加到M?S极之间，即可起动或关断开关电源。这种遥控方式不仅损耗小、电路成本低，而且能省掉机械开关，并可利用微处理器控制导通与关断脉冲。在喷墨打印机和激光打印机中常采用这种控制方法。

用ON激活方式控制开关电源通/断的电路如图3所示。通/断控制信号（ON/OFF）通过NPN型晶体管VT接M端，亦可用光耦合器或手动开关来代替晶体管。当ON/OFF=1（高电平）时，VT导通，M端呈低电位。此时UC>UM，控制端就有电流经内部电路流入M端且不会出现欠压或过压状态（即IUV3TOPSwitch?FX的典型应用

3.1多路输出的35W机顶盒开关电源

机顶盒是互交式电视（ITV）的关键技术，利用它可提供数字广播电视、视频与音乐点播、卡拉OK、三维游戏、高速上网、在线购物、语音提示等功能强大的宽带多媒体服务。具有五路输出的35W机顶盒开关电源电路如图4所示。这五路电压分别为：UO1（＋30V、100mA）,UO2（＋18V、550mA）,UO3（＋5V、2.5A）,UO4(＋3.3V、3A),UO5(－5V、100mA)。其中，＋5V和＋3.3V作为主输出，其余各路均为辅输出。当交流输入电压UI=220VAC±15％时，总输出功率达38.5W；若采用宽范围电压输入（UI=85～265VAC），总输出功率就降成25W。该电源采用3片IC：TOP233Y（IC1）；线性光耦合器LTV817A（IC2）；可调式精密并联稳压器TL431C（IC3）。为减小高频变压器体积和增强磁场耦合程度，次级绕组采用了堆叠式绕法。由R4和C14构成的吸收电路可降低射频噪声对电视机等视频设备的干扰。必要时还可将开关频率选择端（F）改接控制端（C），选择半频方式以进一步降低电视机对视频噪声的敏感程度。

图1TOPSwitch?FX的内部框图

图2KI与IM的关系曲线

图3控制开关电源通/断电路

图4多路输出的35W机顶盒开关电源电路

图5由MCU控制的TOPSwitch?FZ单片开关电源

R6、R7和R8为比例反馈电阻，使5V和3.3V电源按照一定的比例进行反馈，这两路输出的负载调整率均可达±5％。R9和C16构成TL431C的频率补偿网络。C17为软起动电容，取C17=22μF时可增加4ms的软起动时间，再加上本身已有10ms的软起动时间，总共为14ms。其余各路输出未加反馈，输出电压均由高频变压器的匝数比来确定。因－5V电源的输出功率很低，现通过电阻R2和稳压管VDZ2进行电压调节。R9是＋30V输出的假负载，它能降低该路的空载及轻载电压。鉴于5V、3.3V和18V电源的输出功率较大，三者都增加了后级LC滤波器（L3和C9、L4和C11、L2和C7），以减小输出纹波电压。

TOP233Y具有频率抖动特性，这对降低电磁干扰很有帮助；再合理地选择安全电容C15和EMI滤波器（C6、L1）的元件值，就能使开关电源产生的电磁辐射达到CISPR2（FCCB）国际标准。将C15的一端接UI的正极，能把TOP233Y的共模干扰减至最小。需要指出，C15和C6都称作安全电容，区别只是C15接在高压与地之间，能滤除初、次级耦合电容产生的共模干扰，在IEC950国际标准中称之为“Y电容”。C6则接在交流电源进线端，专门滤除电网线之间的串模干扰，被称作“X电容”。为承受可能从电网线窜入的雷击电压，在交流输入端还并联一只标称电压U1mA=275V的压敏电阻器VSR。U1mA表示当压敏电阻器上通过1mA的直流电流时元件两端的电压值。

3.2由MCU控制的TOPSwitch?FX单片开关电源

利用微控制器可对由TOPSwitch?FX构成的喷墨打印机、激光打印机等计算机外部设备中的开关电源进行控制，电路如图5所示。开关电源部分主要由TOPSwitch?FX（IC1）、光耦合器（IC2）组成。控制电路则包括微控制器（MCU）、两片LTV817A线性光耦合器（IC3、IC4）、按钮开关SB。仅当按下SB时产生的信号才有效，抬起时信号不起作用。SB上不需要加防抖动电路，这是因为开关电源的软起动时间（约10ms）和MCU的复位及初始化时间能起到延迟作用，可以避开按下SB时产生抖动干扰的时间；并且仅当开关被按下至少达到上述时间，才能通过MCU接通开关电源。这就要求必须将SB按到底，而不要轻轻点击一下，以确保电源起动。MCU完成复位及初始化后检测到IC3发来的开机信号，再通过IC4去锁定开关电源。光耦IC3、IC4中的LED发光管和光敏三极管，分别用LED3和VT3、LED4和VT4表示。现将LED3接在控制端与SB上端之间，VT3接在MCU的逻辑输入端。常态下LED3上无电流通过，IC3不工作。MCU的逻辑输出端经过隔离二极管VD6和电阻R4接LED4的正极。VT4则接在M、S端之间。因M端本身具有限流功能，故VT4不需要另加限流电阻。CM为多功能端的消噪电容。

当用户首次按下SB时，VD4导通，M端经VD4与S极接通，TOPSwitch?FX即工作在三端模式，多功能端（M）和开关频率设定端（F）不起作用，此时LED3上有电流通过，VT3就给MCU发出起动信号。若最初开关电源是处于关断状态（M端悬空）则首次按下SB时就接通电源，＋5V输出电压UCC为MCU提供工作电源电压。MCU接收到起动信号后就令VT4导通，使开关电源保持在接通状态，能够正常输出。当用户再次按下SB时就发出关断信号，MCU接收到信号后就执行关断程序，将喷墨打印机的打印头停在安全位置上。一旦执行完关断程序，MCU就令VT4截止，将M端悬空，开关电源进入关断模式，此时TOPSwitch?FX处于低功耗状态，当UI=230VAC时芯片功耗仅为160mW。假如用作DVD中的开关电源时，关断程序还能把数据和设定状态一并存入E2PROM中，即使掉电后也不致于丢失。