TOPSwitch-GX 的原理以及典型運用
正文:
  開關(guān)電源以高效節(jié)能、體積小而著稱,成為穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向.伴隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展,開關(guān)電源不僅實現(xiàn)了控制電路的集成,而且向單片開關(guān)電源集成.單片開關(guān)電源具有高集成度、高性價比、最簡外圍電路、最佳性能指標等優(yōu)點.本文介紹了美國POWER INTERGRATION公司推出的功能更加強大的第四代集成開關(guān)電源芯片TOPSWITCH-GX.
  TOPSWITCH-GX系列及其新特點
  TOPSWITCH-GX采用了ECOMART集成電路技術(shù),把高壓功率MOSFET、PWM控制器、故障保護電路以及其他控制電路集成到單個CMOS芯片中,從而方便了設(shè)計,提高了設(shè)計的靈活性.TOPSWITCH-GX產(chǎn)品分類如表1所示:
  其中Y型代表TO-220-7C封裝, 使用時在小散熱片上加裝散熱器;P型是8腳雙列直插式DIP-8B封裝;G型是8腳表面安裝式SMD-8B封裝形式,后兩種類型可借助印刷板上公共的區(qū)域來代替散熱器.以上數(shù)據(jù)均是在周圍環(huán)境溫度為50℃下測量的最大連續(xù)輸出功率.
  TOPSWITCH-GX不僅具備TOPSWITCH-FX系列的全部優(yōu)點,而且將最大輸出功率擴展到250W;開關(guān)頻率提高到132KHZ;在負載很輕時,能自動降低開關(guān)頻率(全頻模式下,從132KHZ降到30KHZ,半頻模式下,從66KHZ降到15KHZ),進一步降低了芯片的損耗;對于Y型,新增加了線路檢測端和極限電流設(shè)定端.因此TOPSWITCH-GX的應(yīng)用將使開關(guān)電源損耗更少、體積更小、效率更高,同時使用更加靈活、方便.
  內(nèi)部框圖及其原理
  TOPSWITCH-GX Y型封裝的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示, P/G型封裝把開關(guān)頻率選擇端F、極限電流設(shè)定端X、線路檢測端L結(jié)合為一個多功能端M,但其內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理與Y型封裝類似.
  TOPSWITCH-GX的控制端是一個低阻抗節(jié)點,用于接受工作電源電流和反饋電流.與其相連的內(nèi)部并聯(lián)調(diào)整器/誤差放大器,能將反饋電流與工作電流分離出來,反饋電流在RE上產(chǎn)生壓降,經(jīng)過濾波,送入PWM比較器中,實現(xiàn)脈沖寬度的調(diào)制,達到穩(wěn)壓的目的.
  頻率選擇端與源極相連時,開關(guān)電源工作在全頻方式,頻率是132KHZ;當與控制極連接時,為半頻工作方式,即頻率為66KHZ.后者適用于開關(guān)頻率較低,對噪聲敏感的視頻設(shè)備中,在TOPSWITCH-GX進入待機模式下也選擇半頻,以降低功耗.輕載頻率降低轉(zhuǎn)換電路是在占空比低于10%時,為了保持輕載時高效率,頻率將線性減少,直至降到占空比為0時的最小頻率30KHZ(全頻模式)和15KHZ(半頻模式).
  極限電流設(shè)置端主要有兩個功能:外部電流限制和遠程通/斷控制.線路檢測端外部通過電阻連接在直流高壓線路上,設(shè)定過壓/欠壓閾值;內(nèi)部增加了開啟電壓為1V的電壓比較器,也可以用于遠程通/斷控制.如果要屏蔽這兩端的功能,可以與源極連接.
  頻率抖動振蕩器是通過一個內(nèi)部電容線性沖放電,產(chǎn)生鋸齒波,并送入PWM比較器.頻率抖動是指頻率在 4KHZ窄范圍內(nèi)以250HZ被調(diào)制,抖動功能能顯著地減少電磁干擾.
  與頻率抖動振蕩器連接的停止邏輯電路使之工作更為可靠.
  滯后熱關(guān)斷是由精密模擬電路構(gòu)成的,當MOSFET的結(jié)溫大于140℃時,過熱關(guān)斷電路就將MOSFET關(guān)斷;當結(jié)溫降到70℃時,芯片才恢復(fù)正常工作.這種溫度滯后特性有效地防止了因反復(fù)出現(xiàn)故障而使印制板過熱.
  軟啟動電路在啟動10MS內(nèi),最大占空比從0開始線性增加到典型值78%,限制電流也從85%左右線性增加到100%,另外軟啟動電路在遠程關(guān)斷或熱關(guān)斷以及控制電壓滯后調(diào)節(jié)后重啟動也被激活.軟啟動電路有效地降低了啟動時對MOSFET、鉗位電路的沖擊電壓和電流,并防止了變壓器的飽和.關(guān)斷/自動重啟動是為了把損耗降到最低,在缺乏持續(xù)調(diào)節(jié)的環(huán)境中,將電源以4%的占空比開通和關(guān)斷.
  典型應(yīng)用
  30W單路輸出電源
  圖2中,輸入交流電壓(85~265VAC),經(jīng)過EMI濾波器(CX1,L1),輸入整流濾波電路(BR1,C1),獲得初級直流高壓.初級直流高壓通過高頻變壓器降壓,逆變?yōu)榇渭壐哳l方波電壓.次級方波電壓經(jīng)過D8、C10、C11、 L3、C12再次整流濾波之后,獲得12V、2.5A的穩(wěn)壓輸出.輸出電壓是由齊納二極管(VR2)、光耦(U2)內(nèi)部二極管和電阻R6決定,在非線性加載或者元件參數(shù)變化時,電阻R8為齊納二極管(VR2)提供偏值電流,調(diào)節(jié)12V輸出電壓,使其穩(wěn)定在 5%.
  反饋繞組電壓經(jīng)過D2和C6整流濾波之后,產(chǎn)生反饋電壓,經(jīng)U2為控制極提供偏壓.R1和R2是外部限流電阻,R4是線路檢測電阻,R5、C5提供環(huán)路補償,R3、C3、D1構(gòu)成漏極鉗位電路,用于吸收高頻變壓器漏感產(chǎn)生的尖峰電壓,起到保護漏極的作用.CY1稱作安全電容,用于濾除初、次級耦合電容產(chǎn)生的共模干擾.
  圖2利用TOPSWITCH-GX的特性,降低了電源成本,減小了電源尺寸,提高了電源效率.在環(huán)境溫度50℃下,使用TOP224Y在滿載時可以達到標稱效率80%,輸出紋波不大于50MVP-P.
  60W多路輸出電源
  圖3是5路輸出,電壓電流分別是(30V,0.03A)、(18V,0.5A)、(12V,0.6A)、(5V,3.2A)、(3.3V,3A),在交流輸入電壓為185~265VAC時,連續(xù)輸出功率為45W,峰值功率為60W,可用作機頂盒(SET-TOP BOX)、攝錄像機和DVD中的開關(guān)電源.
  R9,C19用于環(huán)路補償,R10,R11,R12是比例反饋電阻,使5V和3.3V電源按照一定的比例進行反饋,這兩路輸出的負載調(diào)整率可以達到 5%.其他三路的負載調(diào)整率分別是 8%(30V), 7%(18V,12V),它們輸出的次級繞組參考點是連接在D10的陰極,不是陽極,這樣有助于減小高壓輸出的誤差.







原作者: 天津大學(xué)激光與光電子研究所 馬家駒 于意仲 姚建銓
來 源: 出處: 世界電子元器件