TOPSwitch單片電源電路是美國動力（PI）公司的產(chǎn)品，在儀器儀表、筆記本電腦、移動電話、音像設(shè)備等系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用。 這個(gè)器件集成了功率開關(guān)管（MOSFET）、控制電路、振蕩器等于一體。它僅采用三端器件，以最簡單的接線方式，構(gòu)成電源系統(tǒng)。從而極大地簡化了150W以下電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

TOPSwitch-I、TOPSwitch-II系列單片電源

一．TOPSwitch-I、TOPSwitch-II系列單片電源器件 　　單片開關(guān)電源具有單片集成化、最簡外圍電路、最佳性能指標(biāo)、能構(gòu)成無工頻變壓器開關(guān)電源等顯著優(yōu)點(diǎn)。美國動力公司在世界上率先研制成功的三端隔離式脈寬調(diào)制單片開關(guān)電源集成電路，被譽(yù)為“頂級開關(guān)電源”。
TOPSwitch-I系列是美國動力公司1994年推出的第一代產(chǎn)品。包括：TOP100-TOP104、TOP200-TOP204/TOP214、TOP209/TOP210。 TOPSwitch-II則是在1997年推出的第二代產(chǎn)品。第二代產(chǎn)品在電路性能，特別是輸出功率上獲得大幅度的提高。 這兩個(gè)系列的封裝是一致的，實(shí)際上它是一個(gè)三端器件。三個(gè)腳分別是D、S、C，即漏極、源極、控制極。封裝形式有TO-220的三端器件式和DIP-8、SMD-8的八腳雙列式兩種基本形式。如圖1。八腳封裝的1-3、6-8通常并聯(lián)后作為S，所以也相當(dāng)于三端器件。 這三個(gè)腳的含義是：

（a）TO－220封裝（b）DIP－8封裝和SMD－8封裝 圖1：TOPSwitch的封裝 源極S：連接內(nèi)部MOSFET的源極，同時(shí)也是TOP開關(guān)及開關(guān)電源初級電路的公共接地點(diǎn)及基準(zhǔn)點(diǎn)。 漏極D：是內(nèi)部MOSFET的漏極，也是內(nèi)部電流的檢測點(diǎn)。該點(diǎn)內(nèi)部有一電流源提供芯片偏置電流。 控制極C：誤差放大電路和反饋電流輸入端。其作用是：1）提供自動重啟電容連接點(diǎn)并決定重啟頻率。2）通過調(diào)節(jié)其輸入電流，可以調(diào)整占空比。3）為芯片提供正常工作的偏置電流。4）提供旁路和補(bǔ)償功能的電容連接點(diǎn)。
下面的介紹中，我們以TOPSwitch-II為主。 二．TOPSwitch-II產(chǎn)品的分類及特點(diǎn) （一）、產(chǎn)品分類 TOPSwitch－Ⅱ與第一代產(chǎn)品相比，它不僅在性能上進(jìn)一步改進(jìn)，而且輸出功率得到顯著提高，現(xiàn)已成為國際上開發(fā)中、小功率開關(guān)電源及電源模塊的優(yōu)選集成電路，其產(chǎn)品分類見表1。 表1：TOPSwitch－Ⅱ的產(chǎn)品分類及最大輸出功率POM（單位：W）

?

?

（二）、性能特點(diǎn) 1．將脈寬調(diào)制（PWM）控制系統(tǒng)的全部功能集成到三端芯片中。內(nèi)含脈寬調(diào)制器、功率開關(guān)場效應(yīng)管（MOSFET）、自動偏置電路、保護(hù)電路、高壓啟動電路和環(huán)路補(bǔ)償電路，通過高頻變壓器使輸出端與電網(wǎng)完全隔離，真正實(shí)現(xiàn)了無工頻變壓器、隔離式開關(guān)電源的單片集成化，使用安全可靠。 2．輸入交流電壓和頻率的范圍極寬。作固定電壓輸入時(shí)可選110V／115V／230V交流電，允許變化±15％；在寬電壓范圍輸入時(shí)，適配85V～265V交流電，但POM值要比前者降低40％。 3．典型頻率100KHz，允許值90-110KHz，占空比調(diào)節(jié)范圍：1.7-67%。 4．TOPSwitch－Ⅱ只有3個(gè)引出端，可以同三端線性集成穩(wěn)壓器相媲美，能以最簡方式構(gòu)成無工頻變壓器的反激式普通型或精密型開關(guān)電源。開關(guān)頻率的典型值為100kHz，允許范圍是90kHz～110kHz，占空比調(diào)節(jié)范圍是1.7％～67％。 5．外圍電路簡單，成本低廉。芯片本身功耗很低，溫度范圍0-70攝氏度，最高結(jié)溫135攝氏度。電源效率可達(dá)80％左右,比線性集成穩(wěn)壓電源提高了近一倍。 三．TOPSwitch-II的工作原理 TOPSwitch－Ⅱ的內(nèi)部框圖如圖4-23所示。主要包括10部分： 1．控制電壓源 由控制電壓UC向并聯(lián)調(diào)整器和門驅(qū)動級提供偏壓，而控制端電流IC則能調(diào)節(jié)占空比。

圖2：TOPSwitch-II內(nèi)部原理框圖 2．帶隙基準(zhǔn)電壓源 給內(nèi)部提供各種基準(zhǔn)電壓。 3．振蕩器 產(chǎn)生鋸齒波（SAW）、最大占空比信號（Dmax）和時(shí)鐘信號（CLOCK））。 4．并聯(lián)調(diào)整器／誤差放大器 5．脈寬調(diào)制器 通過改變控制端電流IC的大小，連續(xù)調(diào)節(jié)脈沖占空比，實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制并能濾掉開關(guān)噪聲電壓。 6．門驅(qū)動級和輸出級 內(nèi)含耐壓為700V的功率開關(guān)管MOSFET。 7．過流保護(hù)電路 利用MOSFET的漏－源通態(tài)電阻RDS（ON）來檢測過電流，當(dāng)ID過大時(shí)令MOSFET關(guān)斷，起到過流保護(hù)作用。 8．過熱保護(hù)及上電復(fù)位電路 當(dāng)芯片結(jié)溫Tj>135℃，關(guān)斷輸出級。 9．關(guān)斷／自動重啟動電路 當(dāng)調(diào)節(jié)失控時(shí)，立即使芯片在低占空比下工作。倘若故障已排除，就自動重新啟動電源恢復(fù)正常工作。 10．高壓電流源 提供偏流用。 事實(shí)上，TOPSwitch-I也包括這樣的十個(gè)部分。 TOPSwitch－Ⅱ的工作原理是利用反饋電流IC來調(diào)節(jié)占空比D，達(dá)到穩(wěn)壓目的。如：當(dāng)輸出電壓UO↑時(shí)，經(jīng)過光耦反饋電路使得IC↑→D↓→UO↓,最終使UO不變。 四．TOPSwitch-II單片電源的應(yīng)用 下面這個(gè)圖，顯示了單片開關(guān)電源的典型應(yīng)用方法。

圖3：15W-TOPSwitch-II單片電源的應(yīng)用 該電路交流輸入電壓范圍Ui=85V～265V,AC，輸入電網(wǎng)頻率f=47Hz～440Hz，電壓調(diào)整率SV=±0.5％,負(fù)載調(diào)整率SI=±1％，電源效率達(dá)80％，輸出紋波電壓的最大值為±50mV。 該電源采用帶穩(wěn)壓管（VDZ2）的光耦反饋工作方式。電路中共使用兩片集成電路，IC1為TOP202Y型單片開關(guān)電源，IC2是日本產(chǎn)NEC2501－H型線性光耦合器。C6與L2構(gòu)成交流輸入端的電磁干擾（EMI）濾波器。C6能濾除由初級脈動電流產(chǎn)生的串模干擾，L2可抑制初級繞組中產(chǎn)生的共模干擾。C7和C8為安全電容，能濾除由初、次級繞組之間耦合電容所產(chǎn)生的共模干擾。寬范圍電壓輸入時(shí)，85V～265V交流電經(jīng)過整流器BR、C1整流濾波后，獲得直流輸入電壓Ui。由VDZ1和VD1構(gòu)成的漏極鉗位保護(hù)電路可將由高頻變壓器漏感產(chǎn)生的尖峰電壓鉗位到安全值以下，并能減小振鈴電壓。VDZ1選用P6KE150型瞬態(tài)電壓抑制器（TVS），其鉗位電壓為150V，鉗位時(shí)間僅1ns，峰值功率是5W。VD1需采用UF4005型1A/600V的超快恢復(fù)二極管（FRD），其反向恢復(fù)時(shí)間trr=30ns。 次級電壓經(jīng)VD2，C2，L1，C3整流濾波后產(chǎn)生＋7.5V的輸出電壓。R2和VDZ2與輸出端并聯(lián)，構(gòu)成開關(guān)電源的假負(fù)載，可提高空載或輕載時(shí)的負(fù)載調(diào)整率。反饋繞組電壓經(jīng)過VD3整流、C4濾波后，得到反饋電壓，再經(jīng)過光敏三極管給TOP202Y提供一個(gè)偏置電壓。VD2選擇UGB8BT型超快恢復(fù)二極管，為降低功耗，還可選肖特基二極管。光耦合器IC2和穩(wěn)壓管VDZ2還構(gòu)成了TOP202Y的外部誤差放大器，能提高穩(wěn)壓性能。 當(dāng)輸出電壓UO發(fā)生變化時(shí)，由于VDZ2具有穩(wěn)壓作用，就使光耦中LED的工作電流IF發(fā)生變化，進(jìn)而改變TOP202Y的控制端電流IC，再通過調(diào)節(jié)輸出占空比，使UO保持穩(wěn)定，這就是其穩(wěn)壓原理。R1為LED的限流電阻，并能決定控制環(huán)路的增益。C5是控制端旁路電容，除對環(huán)路進(jìn)行補(bǔ)償之外，還決定著自動重啟動頻率。高頻變壓器選用EE22型鐵氧體磁芯，初級電感量LP=620μH±10％，漏感量LP0≤11μH。 ?

TOPSwitch-FX系列單片電源

一．芯片簡介 Power Integrations（PI）公司在2000年3月發(fā)布了新的TOPSwitch-FX開關(guān)電源IC系列，它為設(shè)計(jì)高度集成的電源提供了更大的靈活性，采用的EcoSmart節(jié)能技術(shù)可以幫助工程師生產(chǎn)出符合環(huán)保要求的更加“綠色”的電子產(chǎn)品。器件輸出功率最高達(dá)75W，可廣泛應(yīng)用于手機(jī)充電器、PC待機(jī)電源、機(jī)頂盒、DVD和LCD顯示器等不同領(lǐng)域。 二．引腳： TOPSwitch-FX在TOPSwitch-II三個(gè)引腳的基礎(chǔ)上增加了二個(gè)引腳，其中一個(gè)是多功能引腳（M），另一個(gè)是頻率引腳（F）。

（一）多功能引腳(Multi-Function)： TOPSwitch-FX使多功能可以通過單一的可編程引腳(Multi-Function)來實(shí)現(xiàn)。 1．這個(gè)引腳可以利用一個(gè)電阻同時(shí)設(shè)置欠壓、過壓以及前饋的保護(hù)功能。當(dāng)整流后的DC電壓值超過了設(shè)置的過壓閾值時(shí)，將強(qiáng)迫TOPSwitch-FX的功率MOSFET關(guān)斷，增加了對浪涌電壓的防護(hù)能力。欠壓檢測可以防止關(guān)閉電源時(shí)出現(xiàn)瞬變的電壓尖峰。執(zhí)行電壓前饋可以減少輸出電壓紋波。 2．這個(gè)引腳還可以允許用幾種方式進(jìn)行TOPSwitch-FX的遠(yuǎn)程ON/OFF控制。 3．此外，這個(gè)引腳還可以用來在外部編程設(shè)置精確的電流限值。

（二）頻率引腳（FREQUENCY）： 只在TO-220封裝下提供，它與控制腳（CONTROL）短接時(shí)，可使正常的開關(guān)頻率130kHz縮小到一半，即65kHz。這對于噪聲敏感的視頻應(yīng)用或高效率待機(jī)工作模式都是有利的。 三．器件的新功能 TOPSwitch-FX還集成了一些新的功能，其中有： 1．新增多功能引腳，保護(hù)功能加強(qiáng)。 2．新增頻率引腳，有利于控制噪聲和提高待機(jī)效率。 3．軟啟動（Soft-Start），可以降低啟動時(shí)元器件的峰值電流與電壓負(fù)荷。 4．頻率抖動（Frequency Jitter），可降低電磁干擾。 5．滯后過熱保護(hù)。 6．采用多方面的EcoSmart節(jié)能技術(shù)，使能源得到更有效的利用，可實(shí)現(xiàn)環(huán)保設(shè)計(jì)。例如，遙控開/關(guān)、省略周期（Cycle Skipping）和頻率減半等功能可以顯著地降低能耗，特別是在待機(jī)和空載的條件下。這種特性使得很多電子產(chǎn)品可以達(dá)到甚至超過如Energy Star、Blue Angel、Energy 2000之類的通用節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。 這個(gè)芯片盡管增加了許多新的功能，但僅僅8個(gè)月，即被新版本的TOPSwitch-GX替代。因此，該芯片不做課程重點(diǎn)，我們這里重點(diǎn)介紹TOPSwitch-GX芯片。 ?

TOPSwitch-GX系列單片開關(guān)電源

以往芯片存在一些不足：紋波電壓較大、空載和輕載損耗大、高溫工作時(shí)輸出功率受限、啟動時(shí)元件承受較大的尖峰電壓和電流以及設(shè)計(jì)不夠靈活等。針對這些不足之處，Power Integrations公司優(yōu)化了芯片的內(nèi)部布局，改進(jìn)了電路功能，于2000年11月新推出了TOPSwitch家族的第四代芯片:TOPSwitch-GX系列。 TOPSwitch-GX系列增加了許多新功能，從而有效地降低了電源系統(tǒng)成本，提高了電源性能，改善了設(shè)計(jì)靈活性并擴(kuò)展了電源輸出功率。如其中的TOP250型芯片，最大輸出功率可達(dá)290W，該芯片極大地?cái)U(kuò)展了開關(guān)電源芯片在大功率領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用范圍。 一．TOPSwitch-GX系列的功能特點(diǎn) TOPSwitch-GX系列新增的主要功能及其優(yōu)點(diǎn)如下： 1．更寬的輸出功率范圍，最大可達(dá)290W。 2．可減少外圍器件的損耗。 3．在極低壓或過壓時(shí)能實(shí)現(xiàn)完全軟啟動，進(jìn)一步減小了器件在啟動時(shí)的電壓、電流應(yīng)力。 4．外部可編程精確地設(shè)定限制電流，減小了變壓器鐵芯體積，提高了電源效率。 5．更大的占空比，能提供更大的輸出功率并減小了輸入電容。 6．在Y、R、F型式封裝中將電壓檢測管腳與限流管腳分開封裝，提高了設(shè)計(jì)的靈活性。 7．欠壓保護(hù)，不會造成誤關(guān)斷。 8．有過壓保護(hù)，可以限制浪涌電流。 9．采用線電壓前饋,減小了低壓時(shí)的輸出電壓紋波，限制了高壓時(shí)的最大占空比（Dmax）。 10．有±3％的頻率抖動，減小了電磁干擾（EMI）,并降低了EMI濾波器的損耗。 11．空載、輕載時(shí)可降低工作頻率，使輸出電路無需加假負(fù)載，從而顯著地減少了能量損耗。 12．高達(dá)132kHz的工作頻率，減小了變壓器和電源的體積。 13．在視頻應(yīng)用時(shí)可選擇半頻（66kHz）運(yùn)行（只限于Y、R、F封裝），有利于控制噪聲。 14．溫度范圍更寬的滯后熱關(guān)斷，允許電源在高溫下輸出更大的功率，并有效地防止裝置過熱。 TOPSwitch-GX系列的這些優(yōu)點(diǎn)使其可廣泛地應(yīng)用于手提電腦、PDA、集線器、交換器、路由器、臺式電腦、小型服務(wù)器、機(jī)頂盒、數(shù)碼電視、打印機(jī)、DVD、UPS、電視游戲機(jī)、音頻放大器等裝置中。

二．器件管腳功能描述

（一）管腳排列 TOPSwitch-GX系列有TOP242—TOP250的9種不同容量型號，又分為Y、P、G、R、F等5種封裝形式。根據(jù)封裝形式不同，TOPSwitch-GX系列芯片新增的管腳數(shù)也不同。P、G型封裝與第三代芯片TOPSwitch-FX系列一樣只有D、S、C、M四個(gè)管腳，而Y、R、F型封裝則有六個(gè)管腳：D、S、C、F、X、L。圖4為Y/R/F型封裝芯片引腳圖，Y、R、F型封裝的管腳功能如下。

圖4：TOPSwitch-GX引腳圖 （二）管腳功能說明 器件的六個(gè)引腳說明如下： 1．漏極管腳（D）：高壓功率MOSFET漏極輸出。通過此腳從高壓開關(guān)電流源輸入內(nèi)部啟動偏置電流。 2．控制管腳（C）：用于調(diào)節(jié)占空比的誤差放大器電流輸入腳。在正常操作期間通過連接至內(nèi)部分流調(diào)節(jié)器來提供內(nèi)部偏置電流，也可以作為電源的旁路和自動重啟/補(bǔ)償電容的連接點(diǎn)。 3．源極管腳（S）：內(nèi)部MOSFET的源極。將其連接至輸出MOSFET源極時(shí)可得到高壓功率回饋。 4．電壓檢測管腳（L）：作為欠壓保護(hù)（UV）、過壓保護(hù)(OV)、減少Dmax的線性前饋及遠(yuǎn)程開/關(guān)等4項(xiàng)功能的控制腳。 1）當(dāng)腳L與腳S短接時(shí)，各項(xiàng)功能均不起作用； 2）當(dāng)L腳串聯(lián)電阻接至電源母線時(shí)，可實(shí)現(xiàn)UV、OV及隨母線電壓減少Dmax的3項(xiàng)功能； 3）當(dāng)腳L通過電阻與腳C相連，并外接一級開關(guān)信號放大電路時(shí)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制開/關(guān)的作用。 5．外部限流管腳（X）：用于外部電流限制值設(shè)置的輸入腳。 1）當(dāng)串聯(lián)電阻接至地線時(shí)為外部可編程精確設(shè)定限流值； 2）當(dāng)串電阻接至電源母線時(shí)可隨母線電壓調(diào)節(jié)限流值。 6．頻率管腳（F）：用于選擇開關(guān)頻率的輸入腳。在多數(shù)應(yīng)用場合下將腳F連接至源極管腳S，此時(shí)開關(guān)頻率為132kHz。在一些特殊應(yīng)用場合如對噪音敏感的音頻設(shè)備中，將腳F連接至控制管腳C時(shí)開關(guān)頻率降為66kHz以減小干擾。 三．器件類型及參數(shù) 下表是GX系列的器件類型及相關(guān)數(shù)據(jù)。

?

?

可以看出，GX系列從6.5W到290W，有比較寬的功率選擇范圍。 總體分類： 按輸入：固定輸入為110/115/230VAC，寬輸入為：85-265VAC。 按模塊外形：密封式和敞開式，后者功率相對更高。 按封裝形式：有Y、P、G、R、F等5種封裝形式。 其它更具體的模塊使用特性及應(yīng)用要領(lǐng)，需要時(shí)我們可以查閱相關(guān)手冊。 由于許多新的特性和寬的選擇范圍，這個(gè)系列的器件目前是PI公司推廣的主流開關(guān)電源器件。 四．內(nèi)部功能原理： 下圖是器件的內(nèi)部原理框圖。

圖4-5：TOPSwitch-GX的內(nèi)部原理框圖 電路主要包含18部分： 1．控制電壓源。 2．帶隙基準(zhǔn)電壓源。 3．頻率抖動振蕩器。 4．并聯(lián)調(diào)整器/誤差放大器。 5．脈寬調(diào)制器，含PWM比較器和觸發(fā)器。 6．過流保護(hù)電路。 7．門極驅(qū)動和輸出極。 8．具有滯后特性的過熱保護(hù)電路。 9．高壓電流源。 10．軟啟動電路。 11．關(guān)斷/自動重啟電路。 12．欠壓比較器。 13．電流極限比較器。 14．線路比較器。 15．線路檢測端和極限電流設(shè)定端的內(nèi)部電路。 16．輕載時(shí)自動降低開關(guān)頻率的電路。 17．停止邏輯。 18．開啟電壓為1V的電壓比較器。 五．TOPSwitch-GX的典型應(yīng)用 圖6給出了GX模塊的典型應(yīng)用實(shí)例。

圖6：TOPSwitch-GX應(yīng)用電路 所示電路為單端反激式開關(guān)電源，利用了TOPSwitch—GX的某些特性來降低系統(tǒng)成本，減小電源尺寸，提高效率。此電路采用通用的85～265V交流輸入，輸出12V直流電壓，功率70W?？紤]到密封適配器的工作環(huán)境，選用熱損耗最小的TOP249Y。 電阻R9和R10從外部將限流值設(shè)定為僅略高于低電壓工作時(shí)的滿載峰值電流，從而允許使用更小的變壓器磁芯，同時(shí)可以避免啟動和輸出負(fù)載瞬態(tài)的磁芯飽和。電阻R9和R10還能使限流值隨電壓升高而降低，從而限制高輸入電壓時(shí)的最大過載功率，并使次級無需任何保護(hù)電路。電阻R11實(shí)現(xiàn)欠壓和過壓檢測。當(dāng)R11=2MΩ時(shí)，電源在直流電壓達(dá)到100V之后才開始工作。在關(guān)斷交流輸入時(shí)，欠壓檢測防止C1放電時(shí)的輸出干擾，并在輸入直流電壓降到40V以下時(shí)關(guān)斷TOPSwitch—GX。過壓門限值被設(shè)定為DC450V，當(dāng)超過此值時(shí)，例如發(fā)生電涌時(shí)，器件在電涌期間停止工作，從而使器件可以經(jīng)受700V高壓的沖擊。 電容C11與VR1并聯(lián)以降低齊納箝位損耗，VR1、D1組成緩沖吸收電路，吸收功率器件在關(guān)斷過程中由于變壓器漏感產(chǎn)生的電壓尖峰過沖。電路的工作頻率為132kHz，可用PQ26/20磁芯提供70W功率。為了調(diào)節(jié)輸出，用光耦（U2）和次級基準(zhǔn)一起，通過電阻分壓網(wǎng)絡(luò)（U3，R4，R5，R6）檢測輸出電壓。D3和C12對偏置繞組的輸出進(jìn)行整流和濾波，R8實(shí)現(xiàn)漏感尖峰濾波，使偏置電壓在輸出負(fù)載變化很大時(shí)仍能保持恒定，為了改善抵抗共摸電涌的能力，偏置繞組的共摸電路直接與直流大電容（C1）相連。 輸入電容能提供TOPSwitch-GX所需的最小直流電壓，以保證最低額定輸入電壓和最大輸出功率條件下電壓受控。由于GX的DCmax比TOPSwitch-Ⅱ的高，它可以使用更小的輸入電容。對TOPSwitch-GX而言，通常輸入電容可按2μF/W來選取

審核編輯：黃飛

?