TOPSwitch器件在電源中的應用

摘要：采用PWM控制器和MOSFET功率開關一體化的集成控制芯片是新一代開關電源設計的重要特點和趨勢。本文介紹美國功率集成公司（PowerIntegrationsInc.）于九十年代中期研制推出的三端PWM/MOSFET二合一集成控制器件TOPSwitch系列及其在開關電源設計中的應用，同時介紹如何應用EXCEL電子表格設計與TOPSwitch相匹配的高頻功率變壓器的程序。

1引言

　　MOSFET功率開關、PWM控制器和高頻功率變壓器是開關電源必不可少的組成部分。其中，特別是PWM控制器和變壓器的設計是開關電源設計的關鍵。

　　傳統開關電源設計一般均采用分立的MOSFET功率開關和多引腳的PWM集成控制器，電路的結構非常復雜，系統的穩定性不夠理想，分立的MOSFET功率開關對開關電源的效率亦有限制。為了解決傳統開關電源設計面臨的這些難題，90年代以來，出現了將開關電源中最重要的兩個部分——PWM集成電路和MOSFET功率開關，集成在同一塊芯片上，構成PWM/MOSFET二合一集成芯片的趨勢，二合一集成控制芯片的問世，降低了開關電源設計的復雜性，減少了開關電源設計所需的時間，從而大大加快了產品進入市場的速度。

　　二合一集成控制芯片多采用3腳、4腳、5腳、7腳和8腳封裝，交流輸入電壓為世界各國均可通用的(85～265)V或(90～270)V，開關頻率為(30～220)kHz，輸出功率從10W到200W，可在充電器、VCR、打印機、適配器、轉接器、衛星接收器、個人電腦、監視器和彩電等設備的開關電源中廣泛應用，美國功率集成公司（PowerIntegrationsInc.）于九十年代中期研制推出的三端脫線式TOPSwitch系列二合一集成控制器件，大多采用3腳的TO?220封裝，其引腳數目是目前同類產品中最少的，因而是該類器件的代表性產品。

2TOPSwitch器件簡介

　　TOPSwitch系列器件是三端脫線式PWM開關（Three?terminalOff?linePWMSwtich）的英文縮寫。TOPSwitch系列器件主要包括下列型號：TOP100～TOP104，TOP200～TOP204/TOP214，TOP209/TOP210。

　　TOPSwitch系列器件僅用了三個管腳就將脫線式開關電源所必需的具有通態可控柵極驅動電路的高壓N溝道功率的MOS場效應管，電壓型PWM控制器，100kHz高頻振蕩器，高壓起動偏置電路，帶隙基準，用于環路補償的并聯偏置調整器以及誤差放大器和故障保護等功能全部組合在一起了。采用TOPSwitch器件的開關電源與采用分立的MOSFET功率開關及PWM集成控制器的開關電源相比，具有以下特點：

　　（1）成本低廉。使用TOPSwitch器件，可減少20～50個元器件，使產品的大小和重量減少50％；TOPSwitch因采用了源極調節板和可控的MOSFET通態驅動，故電磁干擾(EMI)和EMI濾波器的成本可明顯降低；

　　（2）系統效率高。TOPSwitch系采用CMOS工藝制作，并在芯片中集成了盡可能多的功能，故與采用二極管或分立的功率開關電路相比，偏置電流顯著降低；開關電源所需的功能集成于芯片中后，外部的電流傳感電阻和初始起動偏壓電流的電路均可除去，系統效率大大提高。特別是TOPSwitch器件專門針對反激式功率變換電路進行了優化，使最大值占空比可達70％，TOP100～TOP104，TOP200～TOP204/TOP214的效率可達90％，TOP209/TOP210的效率也可超過80％；

　　（3）電源設計簡化。TOPSwitch器件在3腳的TO?220封裝中集成了PWM控制器和高壓MOSFET功率開關，只需外接一個電容就能實現補償、旁路、起動和自動重起功能。另外，美國功率集成公司還為TOPSwitch器件提供了許多標準設計的電路板，使應用TOPSwitch的設計更為方便，極大地縮短了產品開發至進入市場所需的時間；

　　（4）應用靈活性高。TOPSwitch器件支持降壓型、升壓型、正激式和反激式功率變換電路，并且很容易和光耦及變壓器初級的反饋電路結合，無論在連續傳導模式和不連續傳導模式下均可工作；

　　（5）功能完善的系統級故障保護。TOPSwitch具有自動重起和逐周電流限制功能，故可對功率變壓器初級和次級電路的故障進行保護。TOPSwitch還具有在片熱關閉選通功能，可在電路超負荷時有效地保護電源。

　　一般，TOP100～TOP104主要應用于輸入電壓為100V或110VAC，功率在（0～60）W范圍內的開關電源或功率在（0～110）W范圍內采用功率因數校正(PFC)的開關電源。同樣適用于功率在（0～25）W范圍內的無線通信、有線通信以及其他DC/DC變換的應用。

　　TOP200～TOP204/TOP214則適于輸入電壓為100V，110V或230VAC，功率在（0～100）W范圍內的開關電源〔如在三種輸入電壓下均能工作，則功率限制在（0～50）W范圍內〕，或輸入為230V或277VAC，功率在（0～150）W范圍內采用功率因數校正的開關電源。

　　由于TOP100～TOP104采用的是350V的MOSFET，TOP200～TOP204/TOP214采用的是700V的MOSFET，故后者能在輸入電壓更高、系統功率更大的應用中使用。兩組器件的內部結構完全相同，均如圖1所示。

　　TOP100～TOP104和TOP200～TOP204/TOP214采用圖2(a)所示3腳的TO?220封裝，管腳定義如下：　　漏極——連接內部MOSFET的漏極，在起動時，通過內部高壓開關電流源提供內部偏置電流。

　　源極——連接內部MOSFET的源極，是初級電路的公共點，電源回流和基準點。

　　控制極——誤差放大電路和反饋電流的輸入端。在正常工作時，由內部并聯調整器提供內部偏流。系統關閉時，可激發輸入電流，同時也是提供旁路、自動重起和補償功能的電容連接點。

　　值得注意的是，TOP209/TOP210還特別為小功率備用電源應用作了優化，彌補了TOPSwitch系列在這一類應用中的不足。應用TOP209可以設計出性價比更高的開關電源，可為綠色或節能產品，如個人電腦、監視器、UPS、復印機、傳真機提供備用電源，還可在諸如電視、家用電器、工業控制器和個人電腦等產品中應用。

　　TOP209/TOP210內部結構和TOP100～TOP104和TOP200～TOP204/TOP214的內部結構相比只有細微的差別。不過，TOP209/TOP210采用的是8腳DIP封裝方式，如圖2(b)所示。

　　1997年，美國功率集成公司又推出了TOP

圖1TOPSwitch系列器件內部結構圖

(a)TO?220封裝(b)DIP?8封裝

圖2TOPSwitch器件管腳

圖3TOPSwitch?Ⅱ系列器件內部結構圖

Switch?Ⅱ系列器件。TOPSwitch?Ⅱ系列器件同TOPSwitch系列器件相比，內電路作了許多改進，器件對于電路板布局以及輸入總線瞬變的敏感性大大減少，故設計更為方便，性能又有了增強，性能價格比更高。與TOPSwitch系列器件相比，TOPSwitch?Ⅱ系列器件在輸入電壓為100V、115V或230VAC時，系統功率從（0～100)W提高到（0～150）W，在三種電壓下均可工作時，系統的功率從（0～50）W提高到（0～90）W，從而使得TOPSwitch?Ⅱ器件可在如電視、監視器以及音頻放大器等許多新的應用范圍內使用。

　　TOPSwitch?Ⅱ系列器件包括TOP221～TOP227，其內部結構如圖3所示。美國功率集成公司為TOPSwitch?Ⅱ器件提供了多種封裝方式，其中8腳的PDIP封裝方式內部的引線框，可使用6個管腳將熱量直接從芯片傳送到電路板上，從而節省了使用散熱器的成本。

3TOPSwitch器件在不同功率變換拓撲結構中的應用

　　TOPSwitch系列器件可在降壓型、升壓型、正激和反激式功率變換電路中使用。

3?1降壓型（BUCK）功率變換電路

　　TOPSwitch器件在降壓型功率變換電路中的使用如圖4(a)所示。降壓型功率變換電路是最簡單的PWM型DC/DC功率變換電路，動態特性較好。但是，降壓型功率變換電路的缺點是輸入電流為脈動的，極易產生電磁干擾；穩態電壓比小于1，故只能降壓不能升壓，且只能提供單個輸出，不能提供多路輸出。

3?2升壓型（BOOST）功率變換電路

　　TOPSwitch器件在升壓型功率變換電路中的使用如圖4(b)所示。同降壓型功率變換電路相比，升壓型功率變換電路輸入電流是連續的，輸入源的電磁干擾減輕了。但是升壓型功率變換電路輸出側電流是脈動的，輸出紋波較大；升壓型功率變換電路只能升壓而不能降壓；同樣只能提供單個輸出，不能提供多路輸出。

3?3正激式（FORWARD）功率變換電路

　　TOPSwitch系列器件在正激式功率變換電路中的應用如圖4(c)所示。正激式功率變換電路是具有直流隔離的降壓型功率變換電路。由于加入了變壓器，正激式功率變換電路不但實現了輸入和輸出的直流隔離，而且不再受降壓型功率變換電路輸出電壓小于輸入電壓的限制，并可提供多路電壓輸出。

3?4反激式（FEEDBACK）功率變換電路

　　TOPSwitch系列器件在反激式功率變換電路中的應用如圖4(d)所示。反激式功率變換電路同樣具有直流隔離功能。反激式功率變換電路中的變壓器，除

圖4TOPSwtich在不同拓撲結構的功率變換電路中的應用

（a)BUCK(b)BOOST(c)FORWARD(d)FEEDBACK

了起隔離作用之外，還具有儲能的功能。理想情況下，初級和次級線圈中不會同時有電流存在。反激式功率變換電路輸出電壓不受輸入電壓的限制，亦可提供多路電壓輸出。

　　在設計脫線、隔離式開關電源時，圖4(d)所示反激式功率變換電路相對而言是一個最優的選擇。

　　出于安全性的考慮，脫線式功率變換電路一定要用變壓器將初、次級相互隔離。此外，大多數功率變換電路還需要電感來存儲能量并作為輸出脈寬調制波形的低通濾波器。反激式功率變換電路則不需要額外的電感，因為電路中的變壓器可同時實現直流隔離、能量存儲和電壓轉換的功能，所以相對于其他隔離式功率變換電路，反激式變換電路的元器件數目，特別是磁性元件的數目最少，在小功率應用中，成本低廉，頗具吸引力。不過，當功率達到100W，輸出電流接近10A后，電路元器件所承受應力的增大，使成本迅速增加，系統總成本可能會高于其他電路拓撲結構。

　　若在反激式功率變換電路的變壓器上增加“反饋”線圈，則可直接得到與輸出電壓成正比的反饋電壓。這表示在初級電路中即可實現對次級電路的控制，不需要在初級電路和次級電路中使用光電耦合器或其他隔離的控制設備。反激功率變換電路中的變壓器，從嚴格意義上講只是相互耦合的電感。由于耦合電感直接牽涉到電、磁能量的轉換，所以磁性元件和磁路的設計，特別是變壓器的設計十分復雜。美國功率集成公司針對反激式功率變換電路對TOPSwitch器件進行了優化，并提供了EXCEL電子表格來設計反激式開關電源開發軟件，下一節介紹的就是應用EXCEL電子表格來設計反激式開關電源的實例。

4應用EXCEL電子有格來設計反激式開關電源

　　應用EXCEL電子表格設計反激式開關電源是美國功率集成公司為引導設計師按給定系統的要求和規格，采用TOPSwitch系列器件求得滿意結果的電源設計而提出的一種方案。

　　脫線式開關電源設計，涉及電子工程領域的許多內容：模擬和數字電路、二極管和MOS功率器件的特性、磁學、熱的考慮、安全要求、控制環路的穩定性等等，因此，設計開關電路需要考慮大量相互之間關系復雜的設計變量。然而，由于TOPSwitch的高度集成性，許多設計問題已在芯片之內得到了解決。芯片外部需解決問題極少，系統設計時所需考慮的變量數目大大減少。加上TOPSwitch內建環路穩定性很高，所以，不但開關電源的設計簡化了，而且使得程序化設計成為可能。

　　開關電源的設計過程，本質上就是對系統變量進行反復計算和調整，使系統最優化的過程。而在反激式功率變換電路中，需要反復計算的公式相對來說不太復雜。如果使用電子數據表格，那么設計一個簡單的開關電源的時間可縮短到10分鐘。

　　表1是美國功率集成公司提供的可在個人電腦（PC）上的EXCEL程序中運行的電子數據表格。運用該電子表格，反激式開關電源設計所需計算的公式全部可由計算機來完成，具體步驟如下：

　　（1）根據應用的要求和所使用的變壓器，選擇TOPSwitch器件以及所采用的電路（可從四種電路中任選一種，本例為反激式）。

　　（2）確定輸入變量的估計值，將其填入電子表格，得到中間參數和輸出參數的值。

　　（3）改變輸入變量值反復進行計算，直到所選擇的輸出參數值滿足要求。

　　表中的B列填入輸入變量的值，C列和D列顯示中間參數和輸出參數的值，最終的輸出參數的值在D列。其中Krp是美國功率集成公司引入的一個新變量，定義為初級電路的電流紋波和電流峰值的比值，用來描述TOPSwitch漏極電流波形，以簡化計算。

　　對于特定的應用和變壓器，表中23個變量中的20個反復計算時是保持不變的。只有次級線圈圈數的Ns,電流紋波和峰值的比值Krp和初級繞組層數L三個變量在重復過程中需要改變取值。

　　所有參數在重復計算時，需要對最大磁通量密度Bm，氣隙長度Lg，初級載流量CMA三個參數進行檢查，判斷取值是否滿足要求。至于其他的參數，則是中間值或者是最終結果，供選擇或制造元器件的時候使用。

　　應用電子表格進行設計時，不斷改變Ns，Krp，L的值進行重復計算，最后當Bm，Lg，CMA均滿足要求時，一個基本的TOPSwitch反激式變壓器的設計就完成了。按此設計出的電源一般可以正常工作，在電源輸入電壓達到最小值時，功率傳輸比可達最大值。

5結語

　　三端脫線式PWM開關TOPSwitch系列器件，將MOSFET功率開關和PWM控制器集成在一塊芯片中，簡化了脫線式PWM開關電源電路的拓撲結構，使得開關電源的效率和穩定性大幅度提高，同時大大

表1TOPSwitch反激式開關電源設計電子表格

降低了開關電源的成本、體積、重量。這里特別要指出的是，美國功率集成公司所提供的電源設計程序——EXCEL電子表格，更是極大地簡化了開關電源的設計過程。