TOP204-单片开关电源原理及应用 1 前言 开关电源自 20 世纪 70 年代开始应用以来，涌现出许多功能完备的集成控制电路，使开关电源电路日益简化，工作频率不断提高，效率大大提高，并为电源小型化提供了广阔的前景。三端离线式脉宽调制单片开关集成电路TOP(Threeterminaloffline)将 PWM 控制器与功率开关 MOSFET 合二为一封装在一起，已成为开关电源 IC 发展的主流。采用 TOP 开关集成电路设计开关电源，可使电路大为简化，体积进一步缩小，成本也明显降低。 2.TOP 开关结构及工作原理 2.1 结构 TOP 开关集各种控制功能、保护功能及耐压 700V 的功率开关 MOSFET 于一体，采用 TO220 或 8 脚 DIP 封装。少数采用 8 脚封装的 TOP 开关，除 D、C 两引脚外，其余 6 脚实际连在一起，作为 S 端，故仍系三端器件。三个引出端分别是漏极端 D、源极端 S 和控制端 C。其中，D 是内装 MOSFET 的漏极，也是内部电流的检测点，起动操作时，漏极端由一个内部电流源提供内部偏置电流。控制端 C 控制输出占空比，是误差放大器和反馈电流的输入端。在正常操作时，内部的旁路调整端提供内部偏置电流，且能在输入异常时，自动锁定保护。源极端 S 是 MOSFET 的源极，同时是 TOP 开关及开关电源初级电路的公共接地点及基准点。 2.2 工作原理 TOP 包括 10 部分，其中 Zc 为控制端的动态阻抗，RE 是误差电压检测电阻。RA与 CA 构成截止频率为 7kHz 的低通滤波器。主要特点是： （1）前沿消隐设计，延迟了次级整流二级管反向恢复产生的尖峰电流冲击； （2）自动重起动功能，以典型值为 5的自动重起动占空比接通和关断； （3）低电磁干扰性（EMI），TOP 系列器件采用了与外壳的源极相连，使金属底座及散热器的 dv/dt=0，从而降低了电压型控制方式与逐周期峰值电流限制; （4）电压型控制方式与逐周期峰值电流限制。 下面简要叙述一下： （1）控制电压源 控制电压 Uc 能向并联调整器和门驱动极提供偏置电压，而控制端电流 Ic 则能调节占空比。控制端的总电容用 Ct 表示，由它决定自动重起动的定时，同时控制环路的补偿，Uc 有两种工作模式，一种是滞后调节，用于起动和过载两种情况，具有延迟控制作用；另一种是并联调节，用于分离误差信号与控制电路的高压电流源。刚起动电路时由 DC 极之间的高压电流源提供控制端电流 Ic，以便给控制电路供电并对 Ct 充电。 （2）带隙基准电压源 带隙基准电压源除向内部提供各种基准电压之外，还产生一个具有温度补偿并可调整的电流源，以保证精确设定振荡器频率和门极驱动电流。 （3）振荡器 内部振荡电容是在设定的上、下阈值 UH、UL 之间周期性地线性充放电，以产生脉宽调制器所需要的锯齿波（SAW），与此同时还产生最大占空比信号(Dmax)和时钟信号(CLOCK)。为减小电磁干扰，提高电源效率，振荡频率（即开关频率）设计为 100kHz，脉冲波形的占空比设定为 D。 （4）放大器 误差放大器的增益由控制端的动态阻抗 Zc 来设定。Zc 的变化范围是1020，典型值为 15。误差放大器将反馈电压 UF 与 5.7V 基准电压进行比较后，输出误差电流 Ir，在 RE 上形成误差电压 UR。 （5）脉宽调制器（PWM） 脉宽调制器是一个电压反馈式控制电路，它具有两层含义。第一、改变控制端电流 Ic 的大小，即可调节占空比 D，实现脉宽调制。第二、误差电压 UR 经由RA、CA 组成截止频率为 7kHz 的低通滤波器，滤掉开关噪声电压之后，加至 PWM比较器的同相输入端，再与锯齿波电压 UJ 进行比较，产生脉宽调制信号 UB。 （6）门驱动级和输出级 门驱动级（F）用于驱动功率开关管(MOSFET)，使之按一定速率导通，从而将共模电磁干扰减至最小。漏 源导通电阻与产品型号和芯片结温有关。MOSFET 管的漏 源击穿电压 U(bo)ds700V。 （7）过流保护电路 过流比较器的反相输入端接阈值电压 ULIMIT，同相输入端接 MOSFET 管的漏极。此外，芯片还具有初始输入电流限制功能。刚通电时可将整流后的直流限制在0.6A 或 0.75A。 （8）过热保护电路 当芯片结温 TJ135时，过热保护电路就输出高电平，将触发器置位，Q=1，Q=0，关断输出级。此时进入滞后调节模式，Uc 端波形也变成幅度为4.7V5.7V 的锯齿波。若要重新起动电路，需断电后再接通电源开关；或者将控制端电压降至 3.3V 以下，达到 Uc(reset)值，再利用上电复位电路将触发器置零，使 MOSFET 恢复正常工作。 （9）关断/自起动电路 一旦调节失控，关断/自动重起动电路立即使芯片在 5占空比下工作，同时切断从外部流入 C 端的电流，Uc 再次进入滞后调节模式。倘若故障己排除，Uc 又回到并联调节模式，自动重新起动电源恢复正常工作。自动重起动的频率为1.2Hz。 图 1TOP 开关内部工作原理框图图 212V/30W 小功率开关电源原理图（10）高压电流源 在起动或滞后调节模式下，高压电流源经过电子开关 S1 给内部电路提供偏置，并且对 Ct 进行充电。电源正常工作时 S1 改接内部电源，将高压电流源关断。 当 TOP 开关起动操作时，在控制端环路振荡电路的控制下，漏极端有电流流入芯片，提供开环输入。该输入通过旁路调整器、误差放大器时，由控制端进行闭环调整，改变 Ir，经由 PWM 控制 MOSFET 的输出占空比，最后达到动态平衡。3TOP 开关的典型应用 3.112V/30W 小功率开关电源 12V/30W 小功率开关电源原理图如图 2 所示。该电源特性是：简单，直接可与220V 交流电源连接，经桥式整流电容滤波后产生 300V 直流高电压起动开关电源工作。并且重量轻、体积小，接线简单外围元件少。 该电路特点是利用三极管 Q1，二极管 D8 及电阻 R5、R6 组成过低压保护电路，当输入电压降低到一定程度时，Q1 导通，控制端 C 电位降低，TOP 开关关闭，开关电源没有输出。 （1）输入电路 电网交流 220V 输入电压经桥式整流、电容滤波后产生 300V 直流高压起动开关电源工作。 （2）电源变换器部分 在该电路中，T2 为高频变压器，其中 N1 为初级绕组（35T） N2 为反馈绕组（15T） N3 为次级隔离输出绕组（7T） 开关电源工作后，反馈绕组 N2 经整流、滤波、限流后送至 TOP 开关控制极 C，以调整 TOP 开关内部 PWM 占空比。当因某种原因如负载变轻引起输出电压升高时，N2 电压将升高，即流入 TOP 开关控制端 C 的电流增加。在振荡电路的控制下，漏极端 D 有电流流入芯片，提供开环输入，该输入通过旁路调整器、误差放大器，由控制端进行闭环调整，经由 PWM 控制 MOSFET 的输出占空比，使其占空比线性减小，从而使输出电压下降，最后达到动态平衡，保持输出稳定。电路中并接于初级绕组 N1 两端的瞬态电压抑制二极管 D5、电容 C4 及快速二极管D6 组成钳位削峰电路。钳制电感放电脉冲的最高电位，减少漏感抗引起的漏极端电压畸变。在实际绕制高频电源变压器时，为了减小漏感的影响，可采用初级与次级相互交叉的绕制方法。同时，采用自我屏蔽作用较为良好的罐形磁芯，将线圈都用磁芯封在里边。 （3）反馈控制回路 电容 C6 决定软起动恢复时间，C6、R5、R4、C5、D7 决定控制回路的零点。R4阻值过小，限流线性差，容易导致 TOP 开关损坏；过大则调整线性差。在实验中取值为 10k （4）输出回路 N3、D10、C8、D11 构成输出回路。肖特基势垒整流二极管 D10 对高频变压器次级的高频方波电压进行整流，经低 ESR 值的电解电容滤波及双向瞬态电压抑制二极管 D11 削峰稳压后，提供给负载电路。R7 既可改善电源本身的输出阻抗，又能小幅度地调整输出电压的范围，同时又可在电源空载时为电容 C8 提供放电回路。R7 取值为 430。 图 3125V/25W 精密开关电源原理图 3.212.5V/25W 精密开关电源 12.5V/25W 精密开关电源原理图如图 3 所示。由 TOP204 构成隔离式12.5V、2A（25W）开关电源电路，该电源的特性为：当交流输入电压 U 从85V 变化到 265V 时，电压调整率为0.2；当负载电流从 10(0.2A)变化到100(2A)时，负载调整率也达0.2，可与线性集成稳压电源相媲美。该电路的主要特点是利用一片 TL431(IC3)与光电耦合器(IC2)构成外部误差放大器。它再与片内误差放大器配合使用，对控制电流进行精细调整，从而大大提高了稳压性能。 4 结语 由于 TOP 芯片内部完全集成了 SMPS 的全部功能，所以利用它设计出的开关电源周期短，成本低，对于小功率电源，简单，体积小，重量轻。随着 TOP 开关系列的不断发展与改进，其在开关电源及其它应用领域中必将有着更加灿烂的前景。