基于TOP210的小功率開(kāi)關(guān)穩壓電源設計

　　隨著(zhù)電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，開(kāi)關(guān)直流穩壓電源在十幾瓦至中大功率范圍內得到了廣泛的應用。而在十瓦以下的范圍，由于其電路復雜，性?xún)r(jià)比低等原因，通常被線(xiàn)性穩壓電源所替代。然而，隨著(zhù)各種設備集成度的提高，線(xiàn)性電源體積大、效率低的缺陷已嚴重影響了整機的進(jìn)展。為了解決這一難題，將PWM控制電路與功率開(kāi)關(guān)管集成為一體的TopSwitch系列集成塊應運而生，采用其制作開(kāi)關(guān)電源，電路可以與線(xiàn)性穩壓電源一樣簡(jiǎn)單，效率卻遠高于后者，而成本也不會(huì )有明顯的增加。

　　2、TOP210功能介紹

　　TOP210是美國功率集成公司（POWERINTEGRATIONS）推出的適用于小功率場(chǎng)合的集成功率轉換器。它在小功率應用中有很高的性?xún)r(jià)比，其集成化程度高，電路設計簡(jiǎn)單，比分立元件電路減少了15個(gè)～20個(gè)元器件。用其替代線(xiàn)性電源可以使電源的體積和重量大大減小。TOP210具有以下主要優(yōu)點(diǎn)：

　?。?）耐壓700VN溝道小容量MOSFET開(kāi)關(guān)管減小了交流損耗；

　?。?）內置的開(kāi)啟和電流限制減小了直流損耗；

　?。?）MOSFET的導通可控，減小了電磁干擾（EMI），降低了EMI濾波器的費用；

　?。?）CMOS控制器/柵極驅動(dòng)器的功耗僅有6mW；

　?。?）70％的最大占空比使導通損耗最??；

　?。?）只需1個(gè)外部電容器即可完成補償、旁路、開(kāi)啟/自動(dòng)重啟等功能；

　?。?）過(guò)熱關(guān)閉功能可防止整個(gè)系統過(guò)載。

　　2.1引腳功能

　　圖1為T(mén)OP210的兩種封裝形式,其中圖1（a）為DIP8引腳封裝，圖1（b）為3引腳封裝，其引腳功能如下所述。

　　漏極端：是MOSFET漏極輸出連接端，在開(kāi)啟工作時(shí)，通過(guò)一個(gè)內部開(kāi)關(guān)高壓電流源提供內部偏置電流，同時(shí)，也是內部電流檢測點(diǎn)。

　　控制端：是控制占空比的誤差放大器和反饋電流的輸入端。在正常工作時(shí)，通過(guò)和內部分流調節器連接來(lái)提供內部偏置電流，同時(shí)用作旁路電源和自動(dòng)重啟/補償電容器的連接點(diǎn)。

　　源極端：該端與源極相連。

電路結構#e#

　　2.2電路結構

　　TOP210變換器內部功能框圖如圖2所示，它由帶隙參考、振蕩器、脈寬調制器、柵極驅動(dòng)器、誤差放大器、逐個(gè)周期電流限制、關(guān)閉與自動(dòng)重啟、過(guò)熱保護、高壓偏流源等9部分組成，各部分的功能如下：

　　帶隙參考：1個(gè)溫度補償的帶隙參考基準提供內部電壓，該基準也產(chǎn)生1個(gè)溫度補償的電流源?？蓽蚀_地調整振蕩器的頻率和MOSFET的柵極驅動(dòng)電流。

　　振蕩器：內部振蕩器對內部電容器進(jìn)行線(xiàn)性充電和放電，它在兩個(gè)電壓電平（4.7V和5.7V）之間產(chǎn)生鋸齒波。一般頻率選擇100kHz，可使電磁干擾最小，并使效率最高。微調電流可改進(jìn)振蕩頻率精度。

　　脈寬調制器：脈寬調制器輸出脈沖的占空比與流入控制端的電流成反比，以此來(lái)驅動(dòng)MOSFET，實(shí)現電壓閉環(huán)控制。Re上的誤差信號經(jīng)過(guò)角頻率為7kHz的RC網(wǎng)絡(luò )濾波，濾波后的誤差信號和內部振蕩器的鋸齒波相比較，產(chǎn)生占空比波形。當控制電流上升時(shí)，占空比下降。由振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘信號置位1個(gè)寄存器，使MOSFET關(guān)斷。

　　柵極驅動(dòng)器：柵極驅動(dòng)器在1個(gè)受控的速率時(shí)使MOSFET導通，從而使EMI最小，柵極電流可微調以改進(jìn)精度。

　　誤差放大器：在前級反饋應用場(chǎng)合，分流調節器可完成誤差放大器的功能，通過(guò)溫度補償的帶隙參考基準,精確地獲得分流調節器的電壓。誤差放大器的增益由控制端的動(dòng)態(tài)阻抗設置，控制端將外部電路信號箝位到VC電壓值，超過(guò)電源電流的控制端電流由分流調節器加以分離，并流過(guò)Re作為誤差信號。

　　逐個(gè)周期的電流限制：將MOSFET導通輸出電阻作為逐個(gè)周期峰值電流的檢測電阻，因而，電流限制比較器把導通狀態(tài)的漏源電壓和門(mén)限電壓相比較，高的漏極電流使VDS（ON）大于此門(mén)限電壓，并且使MOSFET關(guān)斷，直到下1個(gè)時(shí)鐘周期開(kāi)始。電流限制比較器的門(mén)限電壓經(jīng)過(guò)溫度補償后，可使峰值電流變化達到最小。在輸出級導通之后1個(gè)短的時(shí)間內，前沿消隱電路將阻止電流限制比較工作，因為前沿消隱時(shí)間已被確定，故由初級電容器和次級整流器反向恢復時(shí)間引起的電流尖峰不會(huì )造成開(kāi)關(guān)脈沖過(guò)早地結束。

　　關(guān)閉與自動(dòng)重啟：為了減小TOP開(kāi)關(guān)的功耗，在失調情況存在時(shí)，關(guān)閉/重啟電路使電源以5％的占空比導通和截止，此時(shí)，喪失調節能力時(shí)，阻止外部電流流入控制端。當錯誤被排除后，恢復調節能力，電源重新正常工作。

　　過(guò)熱保護：溫度保護由1個(gè)精密的模擬電路提供，當連接點(diǎn)的溫度超過(guò)熱關(guān)閉溫度時(shí)（典型值為135℃），該電路將使MOSFET關(guān)斷。。

高壓偏流源：該電流源從漏極端對TOP開(kāi)關(guān)提供偏壓，并且在開(kāi)啟或滯后工作時(shí)，對外部電容器CT充電。電流源以35％的占空比導通或關(guān)斷，占空比由控制端的充電電流IC和放電電流（ICD1＋ICD2）的比率決定，當MOSFET開(kāi)通時(shí)，此電流源被關(guān)斷。

　　由圖2可見(jiàn)，TOP210變換器是1種具有自偏壓和保護功能的變換器，它用線(xiàn)性控制端電流來(lái)改變占空比，實(shí)現穩壓輸出。在正常工作時(shí)，內部MOSFET占空比輸出隨著(zhù)控制端電流的增加而線(xiàn)性的減小。

　　3、反激式小功率開(kāi)關(guān)電源

　　由TOP210組成的低功耗、小功率的反激式開(kāi)關(guān)電源原理電路如圖3所示。輸入直流Ui由85V～265V的交流經(jīng)過(guò)整流得到。D1、VR1用來(lái)箝位由于變壓器的漏感引起的尖峰電壓，并能衰減漏極振鈴電壓。次級線(xiàn)圈經(jīng)D2、C2、L1、C3整流和濾波來(lái)產(chǎn)生5V輸出電壓，輸出端的反饋電壓由VR2穩壓值、光耦的正向壓降和R1上的壓降三者之和來(lái)決定。通過(guò)調節變壓器匝比，可獲得不同的輸出電壓。同時(shí)，R2和VR2為輸出提供一個(gè)假負載，通過(guò)調節占空比達到穩壓的假負載，用以提高輕載時(shí)的負載調整率。當輸出端電壓升高時(shí)，由于穩壓二極管VR2基本不變，光耦輸入電流增加，輸出三極管c?e間的等效電阻減小，二極管隨之導通，控制端電流增加，占空比減小，輸出電壓降低，實(shí)現穩壓的目的。偏壓線(xiàn)圈經(jīng)D3、C4整流和濾波，為T(mén)OP210提供偏壓。C5對內部柵極驅動(dòng)充電電流尖峰進(jìn)行濾波，還決定自動(dòng)重啟頻率，并且與R1一起對控制環(huán)進(jìn)行補償。

　　4、結束語(yǔ)

　　以TOP210為核心設計的開(kāi)關(guān)電源，其電壓調整率和負載調整率可達0.2％，效率達85％。若同時(shí)選用光耦反饋與精密基準電壓器件，并合理選擇磁芯與氣隙，精心設計與制作主功率變壓器繞組，可以十分方便地實(shí)現高精度穩壓電源。