三端單片開(kāi)關(guān)電源TOP412/414的原理與應用

摘要：三端單片開(kāi)關(guān)電源TOP412/414是美國Powergration公司生產(chǎn)的將PWM控制器和MOSFET功率開(kāi)關(guān)集成在一起的一體化集成控制芯片。本文介紹了該芯片的性能特點(diǎn)和工作原理，給出了典型的應用電路。

關(guān)鍵詞：TOPSwitch 脈寬調制 單片開(kāi)關(guān)電源 TOP412/414

1 引言

TOPSwitch412/414系列器件是美國Powergration公司生產(chǎn)的三端隔離式脈寬調制單片開(kāi)關(guān)電源集成電路。該器件將PWM集成電路和MOSFET功率器件集成在同一芯片中，并具備PWM型開(kāi)關(guān)穩壓電源所需的全部功能。同時(shí)，它還含有通態(tài)可控柵極驅動(dòng)電路、高壓N溝道關(guān)場(chǎng)效應管、12kHz振蕩器。電路型PWM調制器、高壓?jiǎn)?dòng)偏置電路、帶隙基準、用于環(huán)路補償的并聯(lián)調整器、誤差放大器和故障保護等功能。該器件通過(guò)高頻變壓器使輸出端與電網(wǎng)完全隔離，從而實(shí)現了無(wú)功頻變壓器隔離的開(kāi)關(guān)電源的單片集成化。TOPSwitch412/414采用SMD-8封裝方式，使用6個(gè)管腳將熱量直接傳到電路板上，因而可減少散熱裝置的成本。

采用TOPSwitch412/414的開(kāi)關(guān)電源與采用分立的MOSFET功率開(kāi)關(guān)器件及PWM控制器的開(kāi)關(guān)電源相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

●成本低廉；

●系統效率高；

●設計簡(jiǎn)單；

●具有系統級故障保護功能；

●具有較強的應用靈活性；

2 內部結構

TOPSwitch412/414采用SMD-8型封裝形式，8個(gè)引腳可簡(jiǎn)化為3個(gè)管腳，即源極S、漏極D和控制極C。其中，源極實(shí)際上就是連接內部MOSFET的源極，是初級電路的公共點(diǎn)，同時(shí)也是電源回流的基準點(diǎn)。漏極即是連接內部MOSFET的漏極，電路啟動(dòng)時(shí)，可通過(guò)內部高壓開(kāi)關(guān)電流源提供內部偏置電流。

芯片中的控制極是誤差放大電路和控制占空比反饋電流的輸入端。在正常工作時(shí)，由內部并聯(lián)調整器提供內部偏流。系統關(guān)閉時(shí)，可激發(fā)輸入電流、也可作為提供旁路、自動(dòng)重起和補償功能的電容連接點(diǎn)。

TOPSwitch412/414的內部結構框圖如圖1所示。其內部電路的功能如下：

控制電壓源：由控制電壓Vc向并聯(lián)調整器和門(mén)驅動(dòng)極提供偏壓，同時(shí)控制端電流Ic調節占空比。

帶隙基準電壓源：帶有溫度補償的帶隙其準電壓用于內部各電路提供各種基準電壓和產(chǎn)生MOSFET門(mén)極驅動(dòng)電流。

振蕩器：內部振蕩器可通過(guò)內部電容器在兩個(gè)電壓范圍內線(xiàn)性地充放電來(lái)產(chǎn)生脈寬調制比所需的鋸齒波。振蕩頻率固定為120kHz，這在電源中有助于減少EMI和提高效率。

PWM調制器：通過(guò)改變控制端電流Ic的大小可改變電阻RE的電壓降，并經(jīng)RC濾波后由PWM比較器與鋸齒波進(jìn)行比較，以產(chǎn)生PWM脈寬調制信號來(lái)驅動(dòng)MOSFET管。其脈寬與控制端的電流Ic成反比關(guān)系。

柵極驅動(dòng)電路：柵極驅動(dòng)電路可按照一定速率導通MOSFET，以減少EMI。為提高精度，柵極驅動(dòng)也可實(shí)現逐周電流限制。

誤差放大器：誤差放大器的同相端接帶隙基準電壓源提供的精密其準電壓。反相端接控制極反饋電壓，其增益由控制極的動(dòng)態(tài)阻抗決定。

過(guò)流保護：該器件利用MOSFET的漏一源極通態(tài)電阻來(lái)作為傳感器電阻檢測電流。這樣，當漏極電流過(guò)大時(shí)，關(guān)斷MOSFET可實(shí)現過(guò)流保護。

關(guān)閉/自動(dòng)重啟電流：為減少功耗，在電路超過(guò)調整狀態(tài)時(shí)，關(guān)斷/自動(dòng)重啟電路以5%的占空比接通和關(guān)斷電源。在故障排除后又將自動(dòng)重新啟動(dòng)電源以恢復正常工作。

保護電路：當芯片結溫超過(guò)145℃時(shí)，輸出關(guān)斷級，另外，TOPSwitch412/414還具有欠壓和過(guò)流保護等功能。

3 基本工作原理

開(kāi)漏極輸出的TOPSwitch芯片是一個(gè)自偏置、自保護的電流一占空比線(xiàn)性控制轉換器?？刂茦O電壓Uc可為控制器和驅動(dòng)器提供偏置電壓或供電。在控制極的源極之間并聯(lián)一個(gè)外部旁路電容即可為接到控制極上所有的電容CT設定關(guān)斷/自動(dòng)重啟的時(shí)間。

啟動(dòng)時(shí)，接在漏極和源極之間內部高壓電流源向控制極充電，因為可通過(guò)控制極外接的電容充電過(guò)程來(lái)實(shí)現電路的軟啟動(dòng)。當Uc達到5.7V，內部高壓電流源關(guān)閉，此時(shí)由反饋控制電流向Uc供電。在正常工作階段，由外界電路構成電壓負反饋控制環(huán)，調節輸出級MOSFET的占空比以實(shí)現穩壓。當輸出電壓升高時(shí)，Uc升高，采樣電阻RE上的誤差電壓亦升高。而在與鋸齒波比較后，將使輸出電壓的占空比減小，從而使開(kāi)關(guān)電源的電壓減小。當控制極電壓低于4.7V時(shí)，MOSFET管關(guān)閉，控制電路處于小電流等待狀態(tài)，內部高壓電流源重新接通并向Uc充電。其關(guān)斷/自動(dòng)重啟滯回比較器可使Uc保護在4.7～5.7V之間。圖2所示是其運行波形，其中a圖為正常運行波形，b圖為自動(dòng)重啟波形。

自動(dòng)重啟電路具一個(gè)八分頻計數器，可以阻止輸出級MSOFET再次導通，直到領(lǐng)先個(gè)放電一充電周期完成為止。因此，在自動(dòng)重啟期間，占空比控制在5%左右可有效地限制芯片的功耗。

4 典型應用

圖3是一個(gè)應用TOPSwitch414設計的5V/2A的開(kāi)關(guān)穩壓電源，其輸入電壓范圍為36～72VDC。

在變壓器原邊并聯(lián)的VR1和D1為緩沖電路，用以消除變壓器原邊關(guān)斷瞬間形成的反向電壓，C3～C6與L1組成π型高頻濾波器。線(xiàn)性光耦合器PC317和可調精密并聯(lián)穩壓器TL431為其提供閉環(huán)負反饋回路。當+5V電壓發(fā)生變化時(shí)，經(jīng)電阻R3、R4分壓后得到取樣電壓與TL431提供的2.5V電壓進(jìn)行比較形成的誤差電壓將使LED的工作電流產(chǎn)生相應的變化，并通過(guò)光耦U2改變控制極電流Ic的大小，調節TOPSwitch414的輸出占空比可使電源輸出電壓維持不變，以達到穩壓的目的。