基于TOPwitchⅡ的單片開(kāi)關(guān)電源設計與實(shí)現

傳統的線(xiàn)性穩壓電源有著(zhù)輸出電壓穩定度高，紋渡電壓小的優(yōu)點(diǎn)，是一種極其可靠的電源。但其缺點(diǎn)是電源效率低，需要使用笨重龐大的工頻變壓器。為了找到一種新型的電源，人們

20世紀60年代發(fā)明了自激振蕩推挽晶體管單變壓器和直流式推挽雙變壓器，從而實(shí)現了高頻轉換控制電路，并由此出現了晶閘管(舊稱(chēng)可控硅)相位控制式開(kāi)關(guān)電源，而且用分離元件制成了開(kāi)關(guān)電源，但終因技術(shù)問(wèn)題，效率不高、開(kāi)關(guān)頻率很低，而且電路復雜、調試困難，難于推廣，其應用也受到極大的限制。直到70年代后期，隨著(zhù)集成電路設計與制作技術(shù)的進(jìn)步，大功率硅晶體管耐壓提高、二極管反向恢復時(shí)間縮短，各種開(kāi)關(guān)電源專(zhuān)用芯片大量問(wèn)世，最終去掉了工頻變壓器和低頻濾波電感。由于利用體積很小的高頻變壓器來(lái)實(shí)現電壓變換及電網(wǎng)隔離，因此大大減小了整機的體積和重量，同時(shí)也提高了工作效率。

1開(kāi)關(guān)電源的工作原理

圖l所示是一個(gè)開(kāi)關(guān)電源的典型電路圖，圖2是其原理框圖。

從圖2可以簡(jiǎn)單概述出開(kāi)關(guān)電源的基本原理：50Hz單相交流220 v電壓經(jīng)過(guò)EMI防電磁干擾電源濾波器整流濾波后，再將濾波后的直流電壓經(jīng)變換電路變換為數十或數百千赫茲的高頻方波或準方渡電壓，然后通過(guò)高頻變壓器隔離并降壓(或升壓)后，再經(jīng)高頻整流、濾波電路，最后輸出直流電壓。事實(shí)上，通過(guò)采樣、比較、放大、控制和驅動(dòng)電路來(lái)控制變換器中功率開(kāi)關(guān)管的占空比，便能得到穩定的輸出電壓。

從能量角度分析，由于高頻變壓器初級繞組Np的極性與次級繞組Ns、反饋繞組NF的極性相反，因此，當TOPSwitch芯片導通時(shí)，次級整流管VD2截止，此時(shí)電能以磁能形式存儲在初級繞組中；而當TOPSwitch芯片截止時(shí)，Vn2導通，能量將傳輸給次級。

對于圖1電路，反饋繞組電壓經(jīng)過(guò)VD3和CP整流濾波后，將獲得的反饋電壓VFB，經(jīng)光耦合器中的光敏三極管給TOPSwitch芯片的控制端提供偏壓。為了更好的穩壓，控制端c的旁路電容由兩個(gè)穩壓管和一個(gè)電解電容組成。設穩壓管VDZ2的穩定電壓為Vz2，限流電阻R1兩端的壓降為VR，光耦臺器中LED發(fā)光二極管的正向壓降為VF，那么，輸出電壓V0可表示為：

V0=VZ2+VF+VR

當某種原因(如交流電壓升高或負載變輕)致使V0升高時(shí)，流過(guò)LED的電流IF增大，通過(guò)光耦合器調節使TOPSwitch芯片的控制端電流IC增大。由于TOPSwitch芯片的輸出占空比D與IC成反比，故在D減小時(shí)，會(huì )迫使V0降低，從而達到穩壓的目的。反之，D增大，將迫使V0升高，同樣也可達到穩壓的效果。由此可見(jiàn)，反饋電路正是通過(guò)調節TOPSwiteh芯片的占空比，來(lái)使輸出電壓趨于穩定的。

2 TOPswitch-II器件的內部結構

TOPSwitch-Il芯片的內部結構如圖3所示，它主要包括控制電壓源、帶隙基準電壓源、高壓電流源、并聯(lián)調整器，誤差放大器、振蕩器、門(mén)驅動(dòng)級和輸出級、脈寬調制器、過(guò)電流保護電路、過(guò)熱保護及上電復位電路、關(guān)斷，自動(dòng)重啟動(dòng)電路等十部分。

21控制電壓源

控制電壓源主要用于向并聯(lián)調整器和門(mén)驅動(dòng)級提供偏置電壓。它有兩種工作模式，一種是滯后調節模式。用于啟動(dòng)和過(guò)載這兩種情況，具有延遲控制作用；另一種是并聯(lián)調節模式，用于分離誤差信號和控制電路的高壓電流源。

2 2帶隙基準電壓源

帶隙基準電壓源可向內部提供各種基準電壓，也可以產(chǎn)生一個(gè)具有溫度補償且能調整的電流源，可用于精確設定振蕩器頻率和門(mén)驅動(dòng)級電流。

2．3高壓電流源

在啟動(dòng)或啟動(dòng)之后的調節模式下，高壓電流源可經(jīng)過(guò)電子開(kāi)關(guān)給內部電路提供偏置，并對控制端與源極之間的旁路電容進(jìn)行充電。電源正常工作時(shí)，電子開(kāi)關(guān)改接內部電源，并將高壓電流源關(guān)斷。

2．4并聯(lián)調整器，誤差放大器

并聯(lián)調整器的作用是當加到控制端的反饋電流超過(guò)所需電流值時(shí)，通過(guò)并聯(lián)調整器進(jìn)行分流，從而保證控制電壓為5．7 V(典型值)。誤差放大器的同相輸入端接5．7 v精密基準電壓可作參考電壓；輸出端接一只P溝道場(chǎng)效應管，可起緩沖放大作用。反相輸人端接控制極反饋取樣電壓，誤差放大器的增益由控制端的動(dòng)態(tài)阻抗ZC定。

2 5振蕩器

內部振蕩電容在所設定的上、下閾值電壓之間周期性的充、放電，可以產(chǎn)生脈寬調制所需要的鋸齒波、最大占空比信號和時(shí)鐘信號。振蕩器的固定頻率為100 kHz。通過(guò)調節基準電流可提高頻率準確度。

2．6脈沖寬度調制器

脈寬調制器是電流反饋式控制電路。流入控制極的電流在電阻RE兩端產(chǎn)生壓降，并經(jīng)Rc低通濾波后，可以濾掉開(kāi)關(guān)噪聲電壓，然后輸入到PWM控制器的同相端與振蕩器輸出的鋸齒波電壓相比較，從而產(chǎn)生脈寬調制信號。脈寬調制信號通過(guò)與門(mén)、或門(mén)之后?？蓪⒂|發(fā)器置零，以使Q=0并把MOSFET關(guān)斷；而時(shí)鐘信號再把觸發(fā)器置1，Q=1，從而又使MOSFET導通，由此即可實(shí)現脈寬調制信號的功率輸出。此外，時(shí)鐘信號還起到同步作用。PwM控制器的輸出脈沖寬度與控制極電流Ic成反比，用該信號驅動(dòng)MOSFET管可以實(shí)現穩壓控制。

2 7關(guān)閉，自動(dòng)重啟動(dòng)功能

為了減少TOPSwitch-Ⅱ芯片的功耗，在電路超過(guò)調整狀態(tài)時(shí)(即調節失控)，關(guān)斷，自動(dòng)重啟動(dòng)電路會(huì )立即以5％的占空比接通和關(guān)斷電源，故障排除后，控制電壓又回到并聯(lián)調節模式，此后自動(dòng)重啟動(dòng)電源恢復正常工作。自動(dòng)重啟動(dòng)的頻率為1.2Hm。

3精密復合式雙路輸出開(kāi)關(guān)電源電路

雖然開(kāi)關(guān)電源已經(jīng)表現出十分優(yōu)越的性能，但與同功率的線(xiàn)性電源相比，其輸出直流電壓的紋渡含量還是大的多。為了降低開(kāi)關(guān)電源的紋波含量，可以把單片開(kāi)關(guān)電源當作前級穩壓器，用其輸出直流電壓為線(xiàn)性集成穩壓器供電，再進(jìn)一步穩壓，從而實(shí)現優(yōu)勢互補，以構成理想的高效精密穩壓電源。

圖4所示是一種實(shí)用的精密復合式雙路輸出開(kāi)關(guān)穩壓電源的結構圖，圖5是其具體電路。該電路方案它具有輸出紋波電壓低、效率高、體積小和重量輕等優(yōu)點(diǎn)。

此例是一個(gè)+5 v和+3.3 v的雙路輸出開(kāi)關(guān)電源。若主輸出U01為+5 v，輔輸出U02為+3.3 V，則可作為激光打印機、監視器的電源。若將+3 3 v設計成主輸出，+5 v作為輔輸出，即可作為筆記本電腦的開(kāi)關(guān)電源。為提高+3．3 v輸出電壓的穩定度，在輸出端還可增加一片可調式精密并聯(lián)穩壓器TL431。該電源的基本參數如下；

(1)固定輸入：220V±15％；

(2)雙路輸出電壓U01：+5 V／I.5A；U02：+3.3V/0．4 A：

(3)輸出功率P0：15w;

(4)交流輸入電壓最小值VACmin:195 v；

(5)交流輸人電壓最大值VACmax:265 v；

(6)網(wǎng)頻率fL：50Hz；

(7)開(kāi)關(guān)頻率f：100 kHz；

(8)損耗因數Z：典型值0．5 (代表次級損耗與總損耗的比值)。

4 結束語(yǔ)

單片開(kāi)關(guān)電源具有高集成度、高性?xún)r(jià)比、最簡(jiǎn)外圍電路、最優(yōu)性能指標等特點(diǎn)。本文介紹的雙路輸出精密復合式開(kāi)關(guān)穩壓電源采用TOPSwiteh-器件作為前級穩壓器，來(lái)給低壓差線(xiàn)性穩壓器LTl528和TPS79133提供直流輸人電壓，然后利用低壓差線(xiàn)性穩壓器獲得高質(zhì)量的穩壓輸出。由于兩路輸出分別為+5 v和+3.3 v，所以，該實(shí)例既可以做激光打印機、監視器的電源，也可以做筆記本電腦的開(kāi)關(guān)電源。該復合式開(kāi)關(guān)電源采用了較新的電路結構，彌補了開(kāi)關(guān)電源輸出紋波較大和線(xiàn)性電源體積大、功耗大的不足，因而具有一定的創(chuàng )新性和先進(jìn)性。