基于TOPswitch II的断续工作模式反激式开关电源设计_反激电源工作模式

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基于TOPswitch II的断续工作模式反激式开关电源设计

2009年09月17日 作者：韩国良 来源：《中国电源博览》 编辑：樊晓琳

摘要：TOPswitch II系列芯片是Power Integration 公司生产的开关电源专用集成电路，它将脉宽调制电路与高压开关管(MOSFET)及驱动电路等集成在一起，具备完善的保护功能。使用该芯片设计的小功率开关电源，可大大减少外围电路，降低成本，提高可靠性。本文介绍其内部结构和工作原理，给出基于该芯片的断续工作模式反激式开关电源的具体参数设计，并给出实验结果。

关键词：TOPswitch 反激变换器 断续模式

Abstract: TOPswitch II series integrated circuits are produced especially for switching power supply by Power Integration Company, which integrate PWM and high voltage MOSFET together, and have perfect protection function.The low power switching power supply with such integrated circuits has advantages such as simple outer circuits, lower cost and higher reliability.In this paper, the internal construction and principle of TOPswitch II are introduced, and the design procedure and the experimental result of the power supply with flyback topology in discontinuous current mode are illustrated.Keywords: TOPswitch;flyback;discontinuous current mode

1.引言

TOPswitch系列芯片是美国Power Integration公司于20世纪90年代中期推出的新型高频开关电源芯片。它将开关电源中最重要的两个部分—PWM控制集成电路和功率开关管MOSFET集成在一个芯片上，构成PWM/MOSFET合二为一集成芯片，使外部电路简化，同时其内部工作频率高达100kHz，对于200以下的开关电源，采用TOPswitch器件作为主功率器件与其他电路相比，具有体积小、重量轻等优点，从而降低了开关电源设计的复杂性，是一种简洁的设计方案。

TOPswitch系列器件可在降压型、升压型、正激式和反激式变换器中使用。而在设计离线式、隔离式开关电源时，大多数功率变换电路需要单独的电感来作为输出脉宽调制波形的低通滤波器，而反激式变换器则不需要额外的电感，同时变压器可实现隔离、能量存储和电压转换的功能，相对于其他隔离式功率变换电路，反激变换器元器件数目少，尤其是磁性元件少，工作频率高达100kHz，使开关电源小型化易于实现。本文以工作在断续模式的反激变换器为电路拓扑，分析设计了一台20W的辅助电源，并给出实验结果。

2.TOPswitch II 简介

TOPswitch 系列器件是三端离线式PWM开关(Three terminal Off line PWM Switch)的英文缩写。TOPswitch系列器件仅用了三个管脚就将离线式开关电源所必需的具有通态可控栅极驱动电路的高压N沟道功率的MOSFET场效应管，电压型PWM控制器，100kHz高频振荡器，高压启动偏置电路，带隙基准，用于环路补偿的并联偏置调整器以及误差放大器和故障保护等功能全部组合在一起。TOPswitch II系列器件是TOPswitch 的升级产品，同后者相比，内部电路做了许多改进，器件对于电路板布局以及输入总线瞬变的敏感性大大减少，故设计更为方便，性能有所增强。其型号包括TOP221～TOP227。

TOPswitch II是一个自偏置、自保护的电流占空比线性控制转换器。由于采用CMOS 工艺，转换效率与采用双集成电路和分立元件相比，偏置电流大大减少，并省去了用于电流传导和提供启动偏置电流的外接电阻。

漏极 连接内部MOSFET的漏极，在启动时，通过内部高压开关电流源提供内部偏置电流。

源极 连接内部MOSFET 的源极，是初级电路的公共点和基准点。

控制极 误差放大电路和反馈电流的输入端。在正常工作时，由内部并联调整器提供内部偏流。系统关闭时，可激发输入电流，同时也是提供旁路、自动重启和补偿功能的电容连接点。

控制电压 控制极的电压Vc给控制器和驱动器供电或提供偏压。接在控制极和源极之间的外部旁路电容CT，为栅极提供驱动电流，并设置自动恢复时间及控制环路的补偿。在正常工作(输出电压稳定)时，反馈控制电流给Vc供电，并联稳压器使Vc保持在4.7V。在启动时，控制极的电流由内部接在漏极和控制极之间的高压开关电流源提供。控制极电容CT放电至阈值电压以下时，输出MOSFET截止,控制电路处于备用方式。此时高压电流源接通，并再次给电容CT充电。通过高压电流源的接通和断开，使Vc保持在4.7～5.7V之间。

带隙基准 TOPswitch II内部电压取自具有温度补偿的带隙基准电压。此基准电压也能产生可微调的温度补偿电流源，用来精确地调节振荡器的频率和MOSFET栅极驱动电流。

振荡器 内部振荡器通过内部电容线性地充放电，产生脉宽调制器所需的锯齿波电压。为了降低EMI并提高电源的效率，振荡器额定频率为100kHz。

脉宽调制器 流入控制极的电流在RE两端产生的压降，经RC电路滤波后，加到PWM比较器的同相输入端，与振荡器输出的锯齿波电压比较产生脉宽调制信号。该信号驱动输出MOSFET实现电压型控制。正常工作时，内部MOSFET输出脉冲的占空比随着控制极电流的增加而线性减少。

栅极驱动器 栅极驱动器以一定速率使输出MOSFET导通。为了提高精确度，栅极驱动电流还可以进行微调逐周限流。逐周限流电路用输出MOSFET的导通电阻作为取样电阻，限流比较器将MOSFET导通时的漏源电压与阈值电压VILIMIT进行比较。漏极电流过大时，漏源电压超过阈值电压，输出MOSFET关断。直到下一个周期，输出MOSFET才能导通。

误差放大器 误差放大器的电压基准取自温度补偿带隙基准电压；误差放大器的增益则由控制极的动态阻抗设定。

系统关闭/自动重动 为了减少功耗，当超过调整状态时，该电路将以5%的占空比接通和关断电源。

过热保护 当结温超过热关断温度(135℃)时，模拟电路将关断输出MOSFET。

高压偏流源 在启动期间，该电流源从漏极偏置TOPswitch II，并对控制极外接电容CT充电。

在TOPswitch II系列中，TOP225～TOP227采用TO-220封装形式，而TOP221～TOP224则有TO-220和DIP8、SMD 8三种封装形式。考虑到DIP 8 和SMD 8的散热情况，采用这两种封装形式的器件输出功率要适当降低

3.断续工作模式反激变换器的参数设计

反激变换器工作在断续工作模式的波形如图1所示。

图1 安匝断续波形

根据定义，在每个开关周期的一部分时间总的安匝下降到零。因此，断续模式在每个开关周期有三个不同的时刻：ton、tr和td，如图1(a)所示。随着负载增加，ton、tr也增加，但td减小。当td减小到零时，进入临界连续模式，如图1(b)所示。进一步增加负载，电路进入连续工作模式。

在断续模式下，在每个周期中，在导通期间电感存储的所有能量(LI1p/2)在截止期间传输到输出，在临界连续时输出最大功率。以到达临界连续时条件设计电路，设计的匝比、占空比和电感量应保证变换器在低压时提供全部输出功率。

辅助电源中反激变换器的设计技术要求为：输入直流电压Vin：110～344V；输出电压Vo：12V；开关频率f：100kHz；输出功率Po：20W；设定的占空比D：110V，临界连续时D=0.5。图2给出辅助电源的主电路原理图。

2图2 辅助电源主电路原理图

(1)设计变压器的匝比

根据最小输入电压Vinmin(110V)和输出电压Vo以及设定的占空比0.5临界连续决定匝比。输出电压是12V时，设整流二极管压降VD=0.7V，绕组压降VW=0.6V，选择匝比为整数值8，则临界连续时占空比不再是0.5，而需重新计算：

(2)确定变压器原副边电感量

假定变换器的效率为0.85，则一个周期Ts内的平均输入电流Ip：

则临界连续时电感电流脉动量为：

因此，原边电感为

由式(1)和式(5)可得副边电感为：

(3)计算变压器原副边匝数

采用EE25，其磁芯有效面积Ae=42.2mm

2，最大磁通密度摆幅为0.20T。

原边电流峰值为：

原边电感匝数为：

相应地，副边匝数为Ns=Np/N=6。

(4)开关管及副边整流二极管电压应力

开关管(TOPswitch)的电压应力为；

实际选用开关管为TOP227Y。

副边整流管的电压应力为：

实际选用二极管型号为MUR420(4A/200V)。

4.实验结果

基于第3节中给出的设计参数，完成一台20W的辅助电源，图3给出了当输入电压分别为110V和344V时反激变换器中变压器原副边的电压波形，整机效率达85%以上。

图3 不同输入电压时变压器原副边电压波形图

5.结论

TOPswitch自推出以来，因其外围元件大大减小、成本低、电路设计简单而得到迅速推广应用。它可代替小功率线性稳压电源，也可作为一些大功率开关电源的辅助电源，因此其具有广泛的应用前景。

参考文献

[1] TOP221-TOP227 TOPSwitch Family.http ://www.daodoc.com.[2 ] TOPSwitch Flyback Design Methodology Application Note AN 16.http ://www.daodoc.com.