單片開關(guān)電源原理及應(yīng)用

沈陽鐵路局 李海波 (沈陽110001)

1前言

開關(guān)電源自20世紀(jì)70年代開始應(yīng)用以來，涌現(xiàn)出許多功能完備的集成控制電路，使開關(guān)電源電路日益簡(jiǎn)化，工作頻率不斷提高，效率大大提高，并為電源小型化提供了廣闊的前景。三端離線式脈寬調(diào)制單片開關(guān)集成電路TOP(Threeterminaloffline)將PWM控制器與功率開關(guān)MOSFET合二為一封裝在一起，已成為開關(guān)電源IC發(fā)展的主流。采用TOP開關(guān)集成電路設(shè)計(jì)開關(guān)電源，可使電路大為簡(jiǎn)化，體積進(jìn)一步縮小，成本也明顯降低。

2TOP開關(guān)結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1結(jié)構(gòu)

TOP開關(guān)集各種控制功能、保護(hù)功能及耐壓700V的功率開關(guān)MOSFET于一體，采用TO?220或8腳DIP封裝。少數(shù)采用8腳封裝的TOP開關(guān)，除D、C兩引腳外，其余6腳實(shí)際連在一起，作為S端，故仍系三端器件。三個(gè)引出端分別是漏極端D、源極端S和控制端C。其中，D是內(nèi)裝MOSFET的漏極，也是內(nèi)部電流的檢測(cè)點(diǎn)，起動(dòng)操作時(shí)，漏極端由一個(gè)內(nèi)部電流源提供內(nèi)部偏置電流。控制端C控制輸出占空比，是誤差放大器和反饋電流的輸入端。在正常操作時(shí)，內(nèi)部的旁路調(diào)整端提供內(nèi)部偏置電流，且能在輸入異常時(shí)，自動(dòng)鎖定保護(hù)。源極端S是MOSFET的源極，同時(shí)是TOP開關(guān)及開關(guān)電源初級(jí)電路的公共接地點(diǎn)及基準(zhǔn)點(diǎn)。

2.2工作原理

TOP包括10部分，其中Zc為控制端的動(dòng)態(tài)阻抗，RE是誤差電壓檢測(cè)電阻。RA與CA構(gòu)成截止頻率為7kHz的低通濾波器。主要特點(diǎn)是：

（1）前沿消隱設(shè)計(jì)，延遲了次級(jí)整流二級(jí)管反向恢復(fù)產(chǎn)生的尖峰電流沖擊；

（2）自動(dòng)重起動(dòng)功能，以典型值為5％的自動(dòng)重起動(dòng)占空比接通和關(guān)斷；

（3）低電磁干擾性（EMI），TOP系列器件采用了與外殼的源極相連，使金屬底座及散熱器的dv/dt=0，從而降低了電壓型控制方式與逐周期峰值電流限制;

（4）電壓型控制方式與逐周期峰值電流限制。

下面簡(jiǎn)要敘述一下：

（1）控制電壓源

控制電壓Uc能向并聯(lián)調(diào)整器和門驅(qū)動(dòng)極提供偏置電壓，而控制端電流Ic則能調(diào)節(jié)占空比。控制端的總電容用Ct表示，由它決定自動(dòng)重起動(dòng)的定時(shí)，同時(shí)控制環(huán)路的補(bǔ)償，Uc有兩種工作模式，一種是滯后調(diào)節(jié)，用于起動(dòng)和過載兩種情況，具有延遲控制作用；另一種是并聯(lián)調(diào)節(jié)，用于分離誤差信號(hào)與控制電路的高壓電流源。剛起動(dòng)電路時(shí)由D?C極之間的高壓電流源提供控制端電流Ic，以便給控制電路供電并對(duì)Ct充電。

（2）帶隙基準(zhǔn)電壓源

帶隙基準(zhǔn)電壓源除向內(nèi)部提供各種基準(zhǔn)電壓之外，還產(chǎn)生一個(gè)具有溫度補(bǔ)償并可調(diào)整的電流源，以保證精確設(shè)定振蕩器頻率和門極驅(qū)動(dòng)電流。

（3）振蕩器

內(nèi)部振蕩電容是在設(shè)定的上、下閾值UH、UL之間周期性地線性充放電，以產(chǎn)生脈寬調(diào)制器所需要的鋸齒波（SAW），與此同時(shí)還產(chǎn)生最大占空比信號(hào)(Dmax)和時(shí)鐘信號(hào)(CLOCK)。為減小電磁干擾，提高電源效率，振蕩頻率（即開關(guān)頻率）設(shè)計(jì)為100kHz，脈沖波形的占空比設(shè)定為D。

（4）放大器

誤差放大器的增益由控制端的動(dòng)態(tài)阻抗Zc來設(shè)定。Zc的變化范圍是10Ω～20Ω，典型值為15Ω。誤差放大器將反饋電壓UF與5.7V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較后，輸出誤差電流Ir，在RE上形成誤差電壓UR。

（5）脈寬調(diào)制器（PWM）

脈寬調(diào)制器是一個(gè)電壓反饋式控制電路，它具有兩層含義。第一、改變控制端電流Ic的大小，即可調(diào)節(jié)占空比D，實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制。第二、誤差電壓UR經(jīng)由RA、CA組成截止頻率為7kHz的低通濾波器，濾掉開關(guān)噪聲電壓之后，加至PWM比較器的同相輸入端，再與鋸齒波電壓UJ進(jìn)行比較，產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)UB。

（6）門驅(qū)動(dòng)級(jí)和輸出級(jí)

門驅(qū)動(dòng)級(jí)（F）用于驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)管(MOSFET)，使之按一定速率導(dǎo)通，從而將共模電磁干擾減至最小。漏?源導(dǎo)通電阻與產(chǎn)品型號(hào)和芯片結(jié)溫有關(guān)。MOSFET管的漏?源擊穿電壓U(bo)ds≥700V。

（7）過流保護(hù)電路

過流比較器的反相輸入端接閾值電壓ULIMIT，同相輸入端接MOSFET管的漏極。此外，芯片還具有初始輸入電流限制功能。剛通電時(shí)可將整流后的直流限制在0.6A或0.75A。

（8）過熱保護(hù)電路

當(dāng)芯片結(jié)溫TJ>135℃時(shí)，過熱保護(hù)電路就輸出高電平，將觸發(fā)器Ⅱ置位，Q=1，Q=0，關(guān)斷輸出級(jí)。此時(shí)進(jìn)入滯后調(diào)節(jié)模式，Uc端波形也變成幅度為4.7V～5.7V的鋸齒波。若要重新起動(dòng)電路，需斷電后再接通電源開關(guān)；或者將控制端電壓降至3.3V以下，達(dá)到Uc(reset)值，再利用上電復(fù)位電路將觸發(fā)器Ⅱ置零，使MOSFET恢復(fù)正常工作。

（9）關(guān)斷/自起動(dòng)電路

一旦調(diào)節(jié)失控，關(guān)斷/自動(dòng)重起動(dòng)電路立即使芯片在5％占空比下工作，同時(shí)切斷從外部流入C端的電流，Uc再次進(jìn)入滯后調(diào)節(jié)模式。倘若故障己排除，Uc又回到并聯(lián)調(diào)節(jié)模式，自動(dòng)重新起動(dòng)電源恢復(fù)正常工作。自動(dòng)重起動(dòng)的頻率為1.2Hz。

圖1TOP開關(guān)內(nèi)部工作原理框圖

圖212V/30W小功率開關(guān)電源原理圖

（10）高壓電流源

在起動(dòng)或滯后調(diào)節(jié)模式下，高壓電流源經(jīng)過電子開關(guān)S1給內(nèi)部電路提供偏置，并且對(duì)Ct進(jìn)行充電。電源正常工作時(shí)S1改接內(nèi)部電源，將高壓電流源關(guān)斷。

當(dāng)TOP開關(guān)起動(dòng)操作時(shí)，在控制端環(huán)路振蕩電路的控制下，漏極端有電流流入芯片，提供開環(huán)輸入。該輸入通過旁路調(diào)整器、誤差放大器時(shí)，由控制端進(jìn)行閉環(huán)調(diào)整，改變Ir，經(jīng)由PWM控制MOSFET的輸出占空比，最后達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。

3TOP開關(guān)的典型應(yīng)用

3.112V/30W小功率開關(guān)電源

12V/30W小功率開關(guān)電源原理圖如圖2所示。該電源特性是：簡(jiǎn)單，直接可與220V交流電源連接，經(jīng)橋式整流電容濾波后產(chǎn)生300V直流高電壓起動(dòng)開關(guān)電源工作。并且重量輕、體積小，接線簡(jiǎn)單外圍元件少。

該電路特點(diǎn)是利用三極管Q1，二極管D8及電阻R5、R6組成過低壓保護(hù)電路，當(dāng)輸入電壓降低到一定程度時(shí)，Q1導(dǎo)通，控制端C電位降低，TOP開關(guān)關(guān)閉，開關(guān)電源沒有輸出。

（1）輸入電路

電網(wǎng)交流220V輸入電壓經(jīng)橋式整流、電容濾波后產(chǎn)生300V直流高壓起動(dòng)開關(guān)電源工作。

（2）電源變換器部分

在該電路中，T2為高頻變壓器，其中

N1為初級(jí)繞組（35T）

N2為反饋繞組（15T）

N3為次級(jí)隔離輸出繞組（7T）

開關(guān)電源工作后，反饋繞組N2經(jīng)整流、濾波、限流后送至TOP開關(guān)控制極C，以調(diào)整TOP開關(guān)內(nèi)部PWM占空比。當(dāng)因某種原因如負(fù)載變輕引起輸出電壓升高時(shí)，N2電壓將升高，即流入TOP開關(guān)控制端C的電流增加。在振蕩電路的控制下，漏極端D有電流流入芯片，提供開環(huán)輸入，該輸入通過旁路調(diào)整器、誤差放大器，由控制端進(jìn)行閉環(huán)調(diào)整，經(jīng)由PWM控制MOSFET的輸出占空比，使其占空比線性減小，從而使輸出電壓下降，最后達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，保持輸出穩(wěn)定。電路中并接于初級(jí)繞組N1兩端的瞬態(tài)電壓抑制二極管D5、電容C4及快速二極管D6組成鉗位削峰電路。鉗制電感放電脈沖的最高電位，減少漏感抗引起的漏極端電壓畸變。在實(shí)際繞制高頻電源變壓器時(shí)，為了減小漏感的影響，可采用初級(jí)與次級(jí)相互交叉的繞制方法。同時(shí)，采用自我屏蔽作用較為良好的罐形磁芯，將線圈都用磁芯封在里邊。

（3）反饋控制回路

電容C6決定軟起動(dòng)恢復(fù)時(shí)間，C6、R5、R4、C5、D7決定控制回路的零點(diǎn)。R4阻值過小，限流線性差，容易導(dǎo)致TOP開關(guān)損壞；過大則調(diào)整線性差。在實(shí)驗(yàn)中取值為10kΩ

（4）輸出回路

N3、D10、C8、D11構(gòu)成輸出回路。肖特基勢(shì)壘整流二極管D10對(duì)高頻變壓器次級(jí)的高頻方波電壓進(jìn)行整流，經(jīng)低ESR值的電解電容濾波及雙向瞬態(tài)電壓抑制二極管D11削峰穩(wěn)壓后，提供給負(fù)載電路。R7既可改善電源本身的輸出阻抗，又能小幅度地調(diào)整輸出電壓的范圍，同時(shí)又可在電源空載時(shí)為電容C8提供放電回路。R7取值為430Ω。

圖312?5V/25W精密開關(guān)電源原理圖

3.212.5V/25W精密開關(guān)電源

12.5V/25W精密開關(guān)電源原理圖如圖3所示。由TOP204構(gòu)成隔離式＋12.5V、2A（25W）開關(guān)電源電路，該電源的特性為：當(dāng)交流輸入電壓U從85V變化到265V時(shí)，電壓調(diào)整率為±0.2％；當(dāng)負(fù)載電流從10％(0.2A)變化到100％(2A)時(shí)，負(fù)載調(diào)整率也達(dá)±0.2％，可與線性集成穩(wěn)壓電源相媲美。該電路的主要特點(diǎn)是利用一片TL431(IC3)與光電耦合器(IC2)構(gòu)成外部誤差放大器。它再與片內(nèi)誤差放大器配合使用，對(duì)控制電流進(jìn)行精細(xì)調(diào)整，從而大大提高了穩(wěn)壓性能。

4結(jié)語

由于TOP芯片內(nèi)部完全集成了SMPS的全部功能，所以利用它設(shè)計(jì)出的開關(guān)電源周期短，成本低，對(duì)于小功率電源，簡(jiǎn)單，體積小，重量輕。隨著TOP開關(guān)系列的不斷發(fā)展與改進(jìn)，其在開關(guān)電源及其它應(yīng)用領(lǐng)域中必將有著更加燦爛的前景。