新型高功率單片高壓開(kāi)關(guān)TOP-GX系列穩壓電源的研究

摘要：第三代單片高壓開(kāi)關(guān)TOP-GX系列比第二代單片高壓開(kāi)關(guān)TOP系列有了較大改進(jìn)，它不僅使輸出功率擴展到了250W，而且還增加了很多內置以及用戶(hù)可配置的功能，從而使應用可開(kāi)發(fā)為員可靈活地以最低的系統成本完成優(yōu)化的電源設計。文中介紹了POWER INTEGRATION公司生產(chǎn)的TOP-GX系列開(kāi)關(guān)的特點(diǎn)、功能和注意事項，并對其設計中應注意的問(wèn)題和步驟作了詳細描述。

關(guān)鍵詞：單片開(kāi)關(guān) 高功率 穩壓電源 TOP-GX系列

1 概述

人們對第二代單片高壓開(kāi)關(guān)TOP系列應用于開(kāi)關(guān)穩壓電源的設計已作為廣泛深入的研究。目前POWER INTEGRATION公司又推出第三代單片高壓開(kāi)關(guān)TOP-GX系列IC，它除了具有TOP switch IC在單一CMOS芯片上集成了高壓功率MOSFET、PWM控制、故障檢測及其它控制電路外，還在片內集成了很多內置的以及用戶(hù)可配置的功能，因而比第二代單片高壓開(kāi)關(guān)TOP系列有了較大的改進(jìn)。第三代單片高壓開(kāi)關(guān)TOP-GX系列IC的主要特性有：

●輸出功率范圍寬：5～250W（各型號所對應的輸出功率如表1所列）；

●集成了多種內置功能；

●具有軟啟動(dòng)功能：可降低開(kāi)啟時(shí)的超調以及對元器件的沖擊；

●可采用頻率抖動(dòng)來(lái)降低EMI的峰值干擾；

●具有較高的占空比，允許更大功率和使用較小的輸入電容；

●具有零負載調節能力，因而輕載時(shí)效率很高，另外，其待機時(shí)的功耗也非常低；

●具有滯后過(guò)熱關(guān)斷功能，可使器件自動(dòng)進(jìn)行故障恢復；

●增設的用戶(hù)可配置引腳可用于檢測電網(wǎng)過(guò)、欠電壓以及設置外部電流限制和選擇兩種開(kāi)關(guān)頻率（132kHz和66kHz）。具有電網(wǎng)欠壓保護、過(guò)壓關(guān)斷，以及電路電壓前饋功能，可降低輸出紋波并在高輸入電壓時(shí)最大限度地減小占空比；

●通過(guò)外部電流限制引腳可以精確地減小高壓MOSFET電流，從而廉價(jià)地實(shí)現高效率；

●采用ECOSMART技術(shù)，該技術(shù)在待機及電源無(wú)負載條件下可以節約能源；

●具有遠程O(píng)N/OFF功能，可通過(guò)遙控方式控制電源的開(kāi)閉并實(shí)現外同步，從而達到降低功耗的目的；

●在低負載時(shí)，可自動(dòng)降低工作頻率。

由于TOP switch-GX系列大功率單片高壓開(kāi)關(guān)具有以上諸多特點(diǎn)，因此可廣泛用于中功率的開(kāi)關(guān)穩壓電源中。它不僅電路簡(jiǎn)單，而且可靠性高，所以在中功率電子設備系統中具有廣泛的應用前景。

表1 TOP-GX系列開(kāi)關(guān)IC輸出功率

2 管腳功能

TOP switch-GX系列開(kāi)關(guān)的管腳排列如圖1所示，該系列有Y型封裝和P、G封裝兩種結構。從圖上看出：對于Y封裝的TOP switch-GX系列開(kāi)關(guān)，其D、C、S管腳與原TOP switch系列開(kāi)關(guān)的命名完全一樣，分別為漏極、控制極和源極，而新增加的管腳有L、X和F等，各管腳的功能說(shuō)明如下：

L：為輸入電壓的欠壓與過(guò)壓檢測端，該端同時(shí)還具有遠程遙控功能。若在L端與輸入電壓正端接入2MΩ的電阻，那么，其欠壓保護值為：

Vuv=IuvRL=100VDC

過(guò)壓保護值為：Vou=IovRL=450VDC

圖2所示為Y封裝器件組成的電網(wǎng)電壓檢測和外部電流設定電路。

此外，只要在L、C端之間加一個(gè)三極管或未免電耦合器也可以實(shí)現遠程遙控功能。具體電路如圖3所示。

X：外部電路流定調整端。在X端與源極之間接入不同的電阻，則開(kāi)關(guān)電流可限定在不同的數值。若R1=12kΩ，則流過(guò)開(kāi)關(guān)的電流被設定為額定值的69%；若R1=6kΩ，則為額定值的90%；也就是說(shuō)，隨著(zhù)R1值的增大，開(kāi)關(guān)允許流過(guò)的電流隨之減小。

F：開(kāi)關(guān)頻率選擇端。當F端接到源極時(shí)，其開(kāi)關(guān)頻率為132kHz，而當F端接到控制端時(shí)，其開(kāi)關(guān)頻率為66kHz。

此外，TOP switch-GX系列開(kāi)關(guān)也可以當作一般的三端TOP器件使用，只要在使用時(shí)將L、X、F端同時(shí)與源極相接即可。但此時(shí)新增用戶(hù)可配置的功能將全部失效。

P、G封裝的TOP switch-GX系列開(kāi)關(guān)沒(méi)有X、F端，但新增有M端，其功能與Y封裝中的L端的功能相同。

3 TOP switch-GX系列開(kāi)關(guān)穩壓電源

現以250W/48V穩壓電路的設計為例，來(lái)說(shuō)明TOP switch-GX系列開(kāi)關(guān)穩壓電源的設計要求和主要步驟。

3.1 設計要求

輸入電壓：250V～380V DC；

輸出電壓：48V；

輸出電流：5.2A；

電網(wǎng)調整率：±1%。

3.2 設計步驟

根據上述設計要求，首先設計該開(kāi)關(guān)穩壓電源的具體電路。圖4所示是一個(gè)250W/48V穩壓電源的電路原理圖，其設計步驟如下：

（1）器件選擇

根據設計要求和表1所列的輸出功率，可選擇TOP249Y作為開(kāi)關(guān)器件。這時(shí)TOP249Y將工作在輸出功率的上限，電流設定在最大值，即將X端直接與源極相連。而過(guò)壓值設定在450VDC，若輸入電壓超過(guò)此值，則TOP switch-GX開(kāi)關(guān)將自行關(guān)斷，直到輸出電壓恢復正常后，開(kāi)關(guān)又自行重新啟動(dòng)。頻率選擇端F也與源極直接相連，此時(shí)開(kāi)關(guān)工作頻率將設定為132kHz。

（2）脈沖變壓器的設計要求

因電源的輸出功率較大，故脈沖變壓器的漏感應盡可能地小，特別是在低壓大電流的情況下更應如此。脈沖變壓器的初、次級繞組應相間繞制。即使這樣，脈沖變壓器漏感儲存的能量仍有可能超過(guò)瞬態(tài)抑制二極管VR1的功率容量，因此應將R2、R3和C2與VR1并聯(lián)，從而使漏感中的能量能夠部分地消耗在R2、R3上，以保證VR1的工作可靠性；同時(shí)又可將電壓鉗位在200VDC，這樣可保證TOP switch-GX開(kāi)關(guān)在電源啟動(dòng)與過(guò)載條件下，使內部MOSFET的漏極電壓低于700VDC。

（3）電源次級電路設計

電源次級整流管在低輸出電壓情況下，一般采用肖特基二極管來(lái)減小其損耗。而當輸出電壓較高時(shí)，則需要采用快恢復二極管來(lái)完成此項任務(wù)。（可參見(jiàn)圖4中D2）；如果開(kāi)關(guān)頻率較高，則應進(jìn)一步采用超快恢復二極管作整流管，以減小其反向電流對初級的影響。

濾波電容C7的容量應滿(mǎn)足輸出電壓紋波的要求，L1及C8應能有效地濾除開(kāi)關(guān)所產(chǎn)生的噪聲影響。

反饋調整電路可采用光耦和穩壓二極管組成的固定基準調整電路，圖4中采用VR2、VR3、VR4三只穩壓二極管串聯(lián)作為基準以獲得所需要的48V輸出電壓，R5為光耦的限流電阻，該電阻的使用不影響電路中檢測環(huán)路的增益。由二極管D4和電容C11組成次級緩沖電路，可用于在啟動(dòng)瞬間檢測光耦的輸出電流，從而改變控制端C的電流以實(shí)現預調整，從而確保電源在低電網(wǎng)電壓和滿(mǎn)載啟動(dòng)時(shí)達到規定的調整值。R7用于為電容C11提供放電通路；C10，R6為檢測環(huán)路的補償電路；D3，C9用來(lái)為反饋電路提供電源。

4 設計中應注意的問(wèn)題

TOP switch-GX系列開(kāi)關(guān)電源如果設計合理，一般都比較容易滿(mǎn)足設計要求；但如果設計不當，則會(huì )出現一些不正?，F象。因此，在具體設計時(shí)，應注意以下事項：

（1）脈沖變壓器的初級電感值要適當，一般在300μH到3000μH之間。輸出功率較大時(shí)應取下限；反之則應取上限。變壓器的初級電感不能太小，否則會(huì )造成TOP switch-GX系列開(kāi)關(guān)中MOSFET的漏極電流過(guò)大而使損耗增加，同時(shí)易造成過(guò)流保護而使電源難以啟動(dòng)。同樣，初級電感也不能太大，過(guò)大則不能滿(mǎn)足輸出功率的要求。

（2）在選擇輸出濾波電容時(shí)，該電容等效串聯(lián)電阻應盡可能的小，特別是在低壓大電流的情況下更是如此，否則會(huì )由于電容損耗的增大而導致電源可靠性的降低。

（3）反饋光耦輸出端應靠近控制端C，控制端C的濾波電容應靠近源極；另外多功能端L、X、F或M與源極之間的連接線(xiàn)也應盡可能的短，同時(shí)還應當遠離漏極，以減小電源噪聲。

5 結論

POWER INTEGRATION公司的第三代TOP switch-GX系列開(kāi)關(guān)器件增加了許多功能，同時(shí)輸出功率也有較大提高。實(shí)踐證明，用第三代TOP switch-GX系列開(kāi)關(guān)器件設計開(kāi)關(guān)穩壓電源，其電路結構更加簡(jiǎn)單，抗干擾性能更好，可靠性更高，因此，在中功率電子設備中有著(zhù)更廣泛的應用前景。