TOPSwitchFX系列单片开关电源的原理与应用

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TOPSwitchFX系列单片开关电源的原理与应用

TOPSwitchFX系列是美国PowerIntegrations公司继TOPSwitch、TOPSwitchⅡ之后,在2000年初推出的第三代单片开关电源产品。它不仅设计先进,功能完善,而且外围电路简单,使用非常灵活,“FX”即有灵活(flexible)之意。TOPSwitchFX配外围电路后,能实现多种控制功能,其中包括配微控制器(MCU)或通过局域网(LAN)遥控开关电源通/断的功能。是目前设计75W以下高效率、多功能、单路或多路输出反激式开关电源的最佳选择。此外,该系列产品还可构成PC机的待机电源(StandbySupply)、机顶盒电源(SettopBoxPowerSupply)、电源适配器、由微控制器控制的开关电源。

1性能特点及管脚功能

1.1性能特点

(1)该系列产品除具备TOPSwitchⅡ系列的全部优点之外,还增加了软起动、外部设定极限电流、过压关断、欠压保护、过热滞后关断、遥控、同步等功能;

(2)只需改变开关频率选择端和多功能端的外部接线,即可实现14种控制功能:全频工作方式,半频工作方式,同时实现过压和欠压保护,仅过压保护,仅欠压保护,从外部设定极限电流,控制开关电源通/断等;

(3)增加了外部可编程设定极限电流ILIMIT及频率抖动功能,不仅使用方便,还能有效抑制高次谐波干扰;

(4)当开关电源的负载减轻时,它采取跳过周期的方式来降低占空比,使输出电压保持稳定。即使空载时也不用接假负载。

1.2管脚功能

TOPSwitchFX系列包括TOP232P/G/Y、TOP233P/G/Y、TOP234P/G/Y共9种型号,尾缀P、G、Y分别表示DIP8、SMD8、TO2207B封装。其最大输出功率为75W。其中,TO2207B封装有5个引出端,它们分别是控制端C,多功能端M,源极S,开关频率选择端F,漏极D。DIP8和SMD8封装没有F端,等效于四端器件。多功能端主要有6种功能:

(1)线路过压(OV)保护;

(2)线路欠压(UV)保护;

(3)利用线路电压前馈来降低空比Dmax;

(4)从外部设定芯片的极限电流I′LIMIT;

(5)遥控(亦称远程通/断);

(6)外同步。

将开关频率选择端接源极时,开关频率f=130kHz;接控制端时,开关频率变成f/2=65kHz。若将M、F端均接S极,TOPSwitchFX即工作在三端模式下,与TOPSwitchⅡ相似。

2TOPSwitchFX的工作原理

TOPSwitchFX的内部框图如图1所示。主要由15部分组成:

(1)控制电压源(由控制电压UC向并联调整器和门驱动级提供偏压,而控制端电流IC则能调节占空比);

(2)带隙基准电压源(给内部提供各种基准电压);

(3)频率抖动振荡器(产生锯齿波SAW,时钟信号CLK和最大占空比信号Dmax);

(4)并联调整器/误差放大器;

(5)脉宽调制器(含PWM比较器和触发器,通过改变控制端电流IC的大小,连续调节脉冲占空比);

(6)过流保护电路;

(7)门驱动级和输出级(内含耐压为700V的功

率开关管MOSFET);

(8)具有滞后特性的过热保护电路(当芯片结温

Tj>135℃时关断输出级;当Tj<70℃时芯片才恢复正常工作);

(9)关断/自动重起动电路(当调节失控时,立即使芯片在低占空比下工作。倘若故障已排除,就自动重新起动电源恢复正常工作);

(10)高压电流源(提供偏流用);

(11)软起动电路;

(12)欠压比较器;

(13)电流极限比较器;

(14)线路比较器;

(15)多功能端的内部电路。

TOPSwitchFX的工作原理是利用反馈电流IC来调节占空比D,达到稳压目的。举例说明,当输出电压UO↑时,经过光耦反馈电路使得IC↑→D↓→UO↓,最终使UO不变。

2.1频率抖动振荡器及开关频率的设定

所谓频率抖动特性是指把开关频率调制在很窄频段内,以降低与基本开关频率的各次谐波相关的电磁干扰的幅度。TOPSwitchFX的内部振荡器增加了“频率抖动”功能。当基本开关频率f1=130kHz时,开关频率就以250次/s的速率在±4kHz的频段内抖动,实际开关频率f2=f1±△f1=(130±4)kHz=(126~134)kHz。由于f2是在窄范围内偏移的可变频率,因此能有效抑制由130kHz基频及其高次谐波所产生的干扰。谐波次数愈高,频率抖动的优点愈显著。例如,用此法可将开关频率的5次谐波噪声的平均值衰减10dB以上。选择半频工作方式时,基本开关频率为65kHz,抖动范围是±2kHz,实际开关频率f2=(63~67)kHz。

2.2脉宽调制器与最大占空比

当控制端电流IC在规定范围内,而多功能端的输入电流IM为定值时,脉宽调制器的输出占空比D与IC成反比。PWM的增益为

K=△D/△IC=-22%/mA

实际上,占空比不仅与IC有关,还取决于IM值,这是它与TOPSwitchⅡ的重要区别之一。

2.3跳过周期与最小占空比

如果开关电源的负载非常轻,以至于开关电源在最小占空比(Dmin=1.5%)之下所提供的输出功率,仍然超过负载上的功耗,TOPSwitchFX就采用跳过周期的工作方式进一步降低输出功率,来提高轻载电压的稳定性。根据负载变化情况,开关电源能在正常工作和跳过周期方式二者之间自动转换,而无须其他控制。如不需要跳过周期,可在电源输出端接上最小负载RLmin,使D>Dmin=1.5%。

2.4内部极限电流与外部可编程极限电流

TOPSwitchFX的漏极极限电流,既可由内部设定,亦可从外部设定。这是它与TOPSwitchⅡ的另一显著区别。其内部自保护极限电流值见表1。TOPSwitchFX在每个开关周期内都要检测MOSFET漏-源极导通电阻RDS(ON)上的漏极峰值电流ID(PK)。当ID(PK)>ILIMIT时,过流比较器就输出高电平,依次经过触发器、主控门和驱动级,将MOSFET关断,起到过流保护作用。为方便用户使用,也可从外部通过改变多功能端的流出电流IM(用负值表示,单位是μA),来设定极限电流I′LIMIT值。I′LIMIT的设定范围是(40%~100%)·ILIMIT。令KI=I′LIMIT/ILIMIT,KI表示极限电流的衰减因数,它与IM的关系曲线如图2所示。使用时只需在MS极之间接一只极限电流设定电阻RIL,通过改变RIL的阻值来调节IM的大小,即可从外部设定I′LIMIT值。以TOP233Y为例,其ILIMIT=1.00A(典型值)。当RIL=25kΩ时,I′LIMIT=40%·ILIMIT=0.4A。当RIL=6.7kΩ时,I′LIMIT=100%ILIMIT=1.0A。显然,每改变一次RIL的阻值,就重新设定一次I′LIMIT值,这就是“可编程”的真正含义。

表1内部自保护极限电流值 TOPSwitchFX系列产品型号 TOP232 TOP233 TOP234 自保护极限电流值 典型值:ILIMIT(A) 0.500 1.000 1.500 最小值:ILIMIT(min)(A) 0.465 0.930 1.395 最大值:ILIMIT(max)(A) 0.535 1.070 1.605 如果觉得 TOPSwitchFX系列单片开关电源的原理与应用这篇文章不错,可以推荐给朋友分享哦。

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