|
|
|
TOPSwitch-GX 的原理以及典型运用
|
|
TOPSwitch－GX: Principle and typical applications
|
|
■天津大学激光与光电子研究所 马家驹 于意仲 姚建铨
|
开关电源以高效节能、体积小而著称，成为稳压电源的发展方向。伴随着集成电路技术的发展，开关电源不仅实现了控制电路的集成，而且向单片开关电源集成。单片开关电源具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标等优点。本文介绍了美国POWER
INTERGRATION公司推出的功能更加强大的第四代集成开关电源芯片TOPSwitch－GX。
TOPSwitch－GX系列及其新特点
TOPSwitch－GX采用了Ecomart集成电路技术，把高压功率MOSFET、PWM控制器、故障保护电路以及其他控制电路集成到单个CMOS芯片中，从而方便了设计，提高了设计的灵活性。TOPSwitch－GX产品分类如表1所示：
其中Y型代表TO-220-7C封装， 使用时在小散热片上加装散热器；P型是8脚双列直插式DIP-8B封装；G型是8脚表面安装式SMD-8B封装形式，后两种类型可借助印刷板上公共的区域来代替散热器。以上数据均是在周围环境温度为50℃下测量的最大连续输出功率。
TOPSwitch－GX不仅具备TOPSwitch－FX系列的全部优点，而且将最大输出功率扩展到250W；开关频率提高到132kHz；在负载很轻时，能自动降低开关频率（全频模式下，从132KHz降到30KHz，半频模式下，从66KHz降到15KHz），进一步降低了芯片的损耗；对于Y型，新增加了线路检测端和极限电流设定端。因此TOPSwitch－GX的应用将使开关电源损耗更少、体积更小、效率更高，同时使用更加灵活、方便。
内部框图及其原理
TOPSwitch－GX Y型封装的内部结构如图1所示， P/G型封装把开关频率选择端F、极限电流设定端X、线路检测端L结合为一个多功能端M，但其内部结构原理与Y型封装类似。
TOPSwitch－GX的控制端是一个低阻抗节点，用于接受工作电源电流和反馈电流。与其相连的内部并联调整器/误差放大器，能将反馈电流与工作电流分离出来，反馈电流在RE上产生压降，经过滤波，送入PWM比较器中，实现脉冲宽度的调制，达到稳压的目的。
频率选择端与源极相连时，开关电源工作在全频方式，频率是132KHz；当与控制极连接时，为半频工作方式，即频率为66KHz。后者适用于开关频率较低，对噪声敏感的视频设备中，在TOPSwitch－GX进入待机模式下也选择半频，以降低功耗。轻载频率降低转换电路是在占空比低于10％时，为了保持轻载时高效率，频率将线性减少，直至降到占空比为0时的最小频率30KHz（全频模式）和15KHz（半频模式）。
极限电流设置端主要有两个功能：外部电流限制和远程通/断控制。线路检测端外部通过电阻连接在直流高压线路上，设定过压/欠压阈值；内部增加了开启电压为1V的电压比较器，也可以用于远程通/断控制。如果要屏蔽这两端的功能，可以与源极连接。
频率抖动振荡器是通过一个内部电容线性冲放电，产生锯齿波，并送入PWM比较器。频率抖动是指频率在 4KHz窄范围内以250Hz被调制，抖动功能能显著地减少电磁干扰。
与频率抖动振荡器连接的停止逻辑电路使之工作更为可靠。
滞后热关断是由精密模拟电路构成的，当MOSFET的结温大于140℃时，过热关断电路就将MOSFET关断；当结温降到70℃时，芯片才恢复正常工作。这种温度滞后特性有效地防止了因反复出现故障而使印制板过热。
软启动电路在启动10ms内，最大占空比从0开始线性增加到典型值78％，限制电流也从85％左右线性增加到100％，另外软启动电路在远程关断或热关断以及控制电压滞后调节后重启动也被激活。软启动电路有效地降低了启动时对MOSFET、钳位电路的冲击电压和电流，并防止了变压器的饱和。关断/自动重启动是为了把损耗降到最低，在缺乏持续调节的环境中，将电源以4％的占空比开通和关断。
典型应用
30W单路输出电源
图2中，输入交流电压（85～265VAC），经过EMI滤波器（CX1，L1），输入整流滤波电路（BR1，C1），获得初级直流高压。初级直流高压通过高频变压器降压，逆变为次级高频方波电压。次级方波电压经过D8、C10、C11、
L3、C12再次整流滤波之后，获得12V、2.5A的稳压输出。输出电压是由齐纳二极管(VR2)、光耦（U2）内部二极管和电阻R6决定，在非线性加载或者元件参数变化时，电阻R8为齐纳二极管(VR2)提供偏值电流，调节12V输出电压，使其稳定在
5％。
反馈绕组电压经过D2和C6整流滤波之后，产生反馈电压，经U2为控制极提供偏压。R1和R2是外部限流电阻，R4是线路检测电阻，R5、C5提供环路补偿，R3、C3、D1构成漏极钳位电路，用于吸收高频变压器漏感产生的尖峰电压，起到保护漏极的作用。CY1称作安全电容，用于滤除初、次级耦合电容产生的共模干扰。
图2利用TOPSwitch－GX的特性，降低了电源成本，减小了电源尺寸，提高了电源效率。在环境温度50℃下，使用TOP224Y在满载时可以达到标称效率80％，输出纹波不大于50mVp－p。
60W多路输出电源
图3是5路输出，电压电流分别是（30V，0.03A）、（18V，0.5A）、（12V，0.6A）、（5V，3.2A）、（3.3V，3A），在交流输入电压为185～265VAC时，连续输出功率为45W，峰值功率为60W，可用作机顶盒（Set－top
Box）、摄录像机和DVD中的开关电源。
R9，C19用于环路补偿，R10，R11，R12是比例反馈电阻，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可以达到
5％。其他三路的负载调整率分别是 8％（30V）， 7％（18V，12V），它们输出的次级绕组参考点是连接在D10的阴极，不是阳极，这样有助于减小高压输出的误差。
|
|
