單片開(kāi)關(guān)電源的應用及發(fā)展

摘 要： 目前中、小功率開(kāi)關(guān)電源正朝著(zhù)單片集成化的方向發(fā)展。本文詳細闡述近年來(lái)問(wèn)世的各種單片開(kāi)關(guān)電源的性能特點(diǎn)及典型應用。

單片開(kāi)關(guān)電源集成電路具有高集成度、高性?xún)r(jià)比、最簡(jiǎn)外圍電路、最佳性能指標、能構成高效率無(wú)工頻變壓器的隔離式開(kāi)關(guān)電源等優(yōu)點(diǎn)。它于90年代中、后期相繼問(wèn)世后，便顯示出強大的生命力，目前它成為國際上開(kāi)發(fā)中、小功率開(kāi)關(guān)電源、精密開(kāi)關(guān)電源及電源模塊的優(yōu)選集成電路。由它構成的開(kāi)關(guān)電源，在成本上與同等功率的線(xiàn)性穩壓電源相當，而電源效率顯著(zhù)提高，體積和重量則大為減小。這就為新型開(kāi)關(guān)電源的推廣與普及，創(chuàng )造了良好條件。

１ 集成開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展簡(jiǎn)況

開(kāi)關(guān)電源被譽(yù)為高效節能電源，它代表著(zhù)穩壓電源的發(fā)展方向，現已成為穩壓電源的主流產(chǎn)品。近20多年來(lái)，集成開(kāi)關(guān)電源沿著(zhù)下述兩個(gè)方向不斷發(fā)展。第一個(gè)方向是對開(kāi)關(guān)電源的核心單元――控制電路實(shí)現集成化。1997年國外首先研制成脈寬調制（PWM）控制器集成電路，美國摩托羅拉公司、硅通用公司（Silicon General）、尤尼特德公司（Unitrode）等相繼推出一批PWM芯片，典型產(chǎn)品有MC3520、SG3524、UC3842。90年代以來(lái)，國外又研制出開(kāi)關(guān)頻率達1MHz的高速PWM、PFM（脈沖頻率調制）芯片，典型產(chǎn)品如UC1825、UC1864。第二個(gè)方向則是對中，小功率開(kāi)關(guān)電源實(shí)現單片集成化。這大致分兩個(gè)階段：80年代初意－法半導體有限公司（SGS－Thomson）率先推出L4960系列單片開(kāi)關(guān)式穩壓器。該公司于90年代又推出了L4970A系列。其特點(diǎn)是將脈寬調制器、功率輸出級、保護電路等集成在一個(gè)芯片中，使用時(shí)需配工頻變壓器與電網(wǎng)隔離，適于制作低壓輸出（5.1～40V）、大中功率（400W以下）、大電流（1.5A～10A）、高效率（可超過(guò)90%）的開(kāi)關(guān)電源。但從本質(zhì)上講，它仍屬DC/DC電源變換器。

1994年，美國動(dòng)力（Power）公司在世界上首先研制成功三端隔離式脈寬調制型單片開(kāi)關(guān)電源，被人們譽(yù)為“頂級開(kāi)關(guān)電源”。其第一代產(chǎn)品為T(mén)OPSwitch系列，第二代產(chǎn)品則是1997年問(wèn)世的TOPSwitch-II系列。該公司于1998年又推出了高效、小功率、低價(jià)格的四端單片開(kāi)關(guān)電源TinySwitch系列。在這之后，Motorola公司于1999年又推出MC33370系列五端單片開(kāi)關(guān)電源，亦稱(chēng)高壓功率開(kāi)關(guān)調節器（HighVoltage Power Switching Regulator）。目前，單片開(kāi)關(guān)電源已形成四大系列、近70種型號的產(chǎn)品。

２ TOPSwitch-11系列三端單片開(kāi)關(guān)電源

根據封裝形式，TOPSwitch－II可劃分成三種類(lèi)型：TOP221Y~227Y（TO-220封裝）， TOP221P~224P（DIP-8封裝），TOP221G~224G（SMD-8封裝），產(chǎn)品分類(lèi)詳見(jiàn)表１。

其中以TOP227Y的輸出功率為最大。

2.1 TOPSwitch-11的性能特點(diǎn)

(1) TOPSWitch-II內部包括振蕩器、誤差放大器、脈寬調制器、門(mén)電路、高壓功率開(kāi)關(guān)管（MOSFET）、偏置電路、過(guò)流保護電路、過(guò)熱保護及上電復位電路、關(guān)斷／自動(dòng)重啟動(dòng)電路。它通過(guò)高頻變壓器使輸出端與電網(wǎng)完全隔離，使用安全可*。它屬于漏極開(kāi)路輸出的電流控制型開(kāi)關(guān)電源。由于采用CMOS電路，使器件功耗顯著(zhù)降低。

(2) 只有三個(gè)引出端：控制端C、源極S、漏極D，可同三端線(xiàn)性穩壓器相媲美，能以最簡(jiǎn)方式構成無(wú)工頻變壓器的反激式開(kāi)關(guān)電源。為完成多種控制、偏置及保護功能，C、D均屬多功能引出端，實(shí)現了一腳多用。以控制端為例，它具有三項功能：①該端電壓VC為片內并聯(lián)調整器和門(mén)驅動(dòng)級提供偏壓；②該端電流IC能調節占空比；③該端還作為電源支路與自動(dòng)重啟動(dòng)／補償電容的連接點(diǎn)，通過(guò)外接旁路電容來(lái)決定自動(dòng)重啟動(dòng)的頻率，并對控制回路進(jìn)行補償。

　(3) 輸入交流電壓的范圍極寬。作固定電壓輸入時(shí)可選220V±15%交流電，若配85~265V寬范圍變化的交流電，最大輸出功率要降低40%。開(kāi)關(guān)電源的輸入頻率范圍是47~440Hz。

(4) 開(kāi)關(guān)頻率典型值為100KHz，占空比調節范圍是1.7%～67%。電源效率為80%左右，最高可達90%，比線(xiàn)性集成穩壓電源提高近一倍。其工作溫度范圍是0～70℃芯片最高結溫Tjm=135℃。

(5) TOPSwitch-II的基本工作原理是利用反饋電流IC來(lái)調節占空比D，達到穩壓目的。舉例說(shuō)明，當由于某種原因致使開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓VOT時(shí)，經(jīng)過(guò)光耦反饋電路就使Ic↑→誤差電壓Vrt→D↓→Vo↓，使Vo保持不變。反之亦然。

(6) 外圍電路簡(jiǎn)單，成本低廉。外部?jì)H需接整流濾波器、高頻變壓器、初級保護電路、反饋電路和輸出電路。采用此類(lèi)芯片還能降低開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的電磁干擾。

2.2 典型應用

TOPSwitch-II可廣泛用于儀器儀表、筆記本電腦、移動(dòng)電話(huà)、電視機、VCD和DVD、攝錄像機、電池充電器、功率放大器等領(lǐng)域，并能構成各種小型化、高密度、低成本的開(kāi)關(guān)電源模塊。此外，它還適合構成后備式開(kāi)關(guān)電源，非隔離式開(kāi)關(guān)電源、恒流恒壓輸出開(kāi)關(guān)電源，供無(wú)線(xiàn)通信用的DC/DC電源變換器、恒功率調節器、功率因數補償器等。

2.3 電路設計要求

(1)TOPSwitch-II的反饋電路中需配光電耦合器與輸出電路隔離。設計精密開(kāi)關(guān)電源時(shí)，還應增加一片TL431型可調式精密關(guān)聯(lián)穩壓器，由它構成外部誤差放大器，來(lái)代替取樣電路中的穩壓管。精密開(kāi)關(guān)電源的電壓調整率Sv、電流調整率Sl均可達±0.2%左右，接近于線(xiàn)性集成穩壓電源的指標。

(2)應選用電流傳輸比（CTR）能線(xiàn)性變化的光電耦合器，如PC817A，NEC2501、6N137等型號，不推薦采用4N25、4N35等4N××型普通光耦。后者的線(xiàn)性度差，傳輸模擬信號時(shí)會(huì )造成失真，影響開(kāi)關(guān)電源的穩壓性能。

(3)高頻變壓器的初級必須設置保護電路，用以吸收漏感引起的尖峰電壓，確保MOSFET不被損壞。這種保護電路應并聯(lián)在初級上，具體有4種設計方案：①由瞬變電壓抑制二極管（TVS）和超快恢復二極管（SRD）組成鉗位電路；②由TVS與硅整流管（VD）構成的鉗位電路；③由阻容元件與SRD構成的吸收電路；④由阻容件與VD構成的吸收電路。上述方案中以①的效果最佳，能充分發(fā)揮TVS響應速度極快、可承受高能量瞬態(tài)脈沖之優(yōu)點(diǎn)。方案②次之。

(4)使用芯片時(shí)需加合適的散熱器。對于TO-220封裝，可直接裝在小散板上。對于DIP-8和SMD-8封裝的可將4個(gè)源極焊在面積為2.3的印制板敷銅箔上代替散熱片。

(5)為抑制從電網(wǎng)引入的干擾，也防止開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的干擾向外部傳輸，需在電源進(jìn)線(xiàn)端增加一級電磁干擾濾波器（EMI filter）亦稱(chēng)電源噪聲濾波器（PNF）。

(6)使用此類(lèi)芯片時(shí)，源極引線(xiàn)要盡量短。為使空載或輕載時(shí)輸出電壓穩定，應在穩壓電源輸出端接一只幾百歐的電阻作為最小負載，亦可并聯(lián)一只穩壓管。