基于TOPwitchⅡ的单片开关电源设计与实现

传统的线性稳压电源有着输出电压稳定度高，纹渡电压小的优点，是一种极其可靠的电源。但其缺点是电源效率低，需要使用笨重庞大的工频变压器。为了找到一种新型的电源，人们

20世纪60年代发明了自激振荡推挽晶体管单变压器和直流式推挽双变压器，从而实现了高频转换控制电路，并由此出现了晶闸管(旧称可控硅)相位控制式开关电源，而且用分离元件制成了开关电源，但终因技术问题，效率不高、开关频率很低，而且电路复杂、调试困难，难于推广，其应用也受到极大的限制。直到70年代后期，随着集成电路设计与制作技术的进步，大功率硅晶体管耐压提高、二极管反向恢复时间缩短，各种开关电源专用芯片大量问世，最终去掉了工频变压器和低频滤波电感。由于利用体积很小的高频变压器来实现电压变换及电网隔离，因此大大减小了整机的体积和重量，同时也提高了工作效率。

1开关电源的工作原理

图l所示是一个开关电源的典型电路图，图2是其原理框图。

从图2可以简单概述出开关电源的基本原理：50Hz单相交流220 v电压经过EMI防电磁干扰电源滤波器整流滤波后，再将滤波后的直流电压经变换电路变换为数十或数百千赫兹的高频方波或准方渡电压，然后通过高频变压器隔离并降压(或升压)后，再经高频整流、滤波电路，最后输出直流电压。事实上，通过采样、比较、放大、控制和驱动电路来控制变换器中功率开关管的占空比，便能得到稳定的输出电压。

从能量角度分析，由于高频变压器初级绕组Np的极性与次级绕组Ns、反馈绕组NF的极性相反，因此，当TOPSwitch芯片导通时，次级整流管VD2截止，此时电能以磁能形式存储在初级绕组中；而当TOPSwitch芯片截止时，Vn2导通，能量将传输给次级。

对于图1电路，反馈绕组电压经过VD3和CP整流滤波后，将获得的反馈电压VFB，经光耦合器中的光敏三极管给TOPSwitch芯片的控制端提供偏压。为了更好的稳压，控制端c的旁路电容由两个稳压管和一个电解电容组成。设稳压管VDZ2的稳定电压为Vz2，限流电阻R1两端的压降为VR，光耦台器中LED发光二极管的正向压降为VF，那么，输出电压V0可表示为：

V0=VZ2+VF+VR

当某种原因(如交流电压升高或负载变轻)致使V0升高时，流过LED的电流IF增大，通过光耦合器调节使TOPSwitch芯片的控制端电流IC增大。由于TOPSwitch芯片的输出占空比D与IC成反比，故在D减小时，会迫使V0降低，从而达到稳压的目的。反之，D增大，将迫使V0升高，同样也可达到稳压的效果。由此可见，反馈电路正是通过调节TOPSwiteh芯片的占空比，来使输出电压趋于稳定的。

2 TOPswitch-II器件的内部结构

TOPSwitch-Il芯片的内部结构如图3所示，它主要包括控制电压源、带隙基准电压源、高压电流源、并联调整器，误差放大器、振荡器、门驱动级和输出级、脉宽调制器、过电流保护电路、过热保护及上电复位电路、关断，自动重启动电路等十部分。

21控制电压源

控制电压源主要用于向并联调整器和门驱动级提供偏置电压。它有两种工作模式，一种是滞后调节模式。用于启动和过载这两种情况，具有延迟控制作用；另一种是并联调节模式，用于分离误差信号和控制电路的高压电流源。

2 2带隙基准电压源

带隙基准电压源可向内部提供各种基准电压，也可以产生一个具有温度补偿且能调整的电流源，可用于精确设定振荡器频率和门驱动级电流。

2．3高压电流源

在启动或启动之后的调节模式下，高压电流源可经过电子开关给内部电路提供偏置，并对控制端与源极之间的旁路电容进行充电。电源正常工作时，电子开关改接内部电源，并将高压电流源关断。

2．4并联调整器，误差放大器

并联调整器的作用是当加到控制端的反馈电流超过所需电流值时，通过并联调整器进行分流，从而保证控制电压为5．7 V(典型值)。误差放大器的同相输入端接5．7 v精密基准电压可作参考电压；输出端接一只P沟道场效应管，可起缓冲放大作用。反相输人端接控制极反馈取样电压，误差放大器的增益由控制端的动态阻抗ZC定。

2 5振荡器

内部振荡电容在所设定的上、下阈值电压之间周期性的充、放电，可以产生脉宽调制所需要的锯齿波、最大占空比信号和时钟信号。振荡器的固定频率为100 kHz。通过调节基准电流可提高频率准确度。

2．6脉冲宽度调制器

脉宽调制器是电流反馈式控制电路。流入控制极的电流在电阻RE两端产生压降，并经Rc低通滤波后，可以滤掉开关噪声电压，然后输入到PWM控制器的同相端与振荡器输出的锯齿波电压相比较，从而产生脉宽调制信号。脉宽调制信号通过与门、或门之后。可将触发器置零，以使Q=0并把MOSFET关断；而时钟信号再把触发器置1，Q=1，从而又使MOSFET导通，由此即可实现脉宽调制信号的功率输出。此外，时钟信号还起到同步作用。PwM控制器的输出脉冲宽度与控制极电流Ic成反比，用该信号驱动MOSFET管可以实现稳压控制。

2 7关闭，自动重启动功能

为了减少TOPSwitch-Ⅱ芯片的功耗，在电路超过调整状态时(即调节失控)，关断，自动重启动电路会立即以5％的占空比接通和关断电源，故障排除后，控制电压又回到并联调节模式，此后自动重启动电源恢复正常工作。自动重启动的频率为1.2Hm。

3精密复合式双路输出开关电源电路

虽然开关电源已经表现出十分优越的性能，但与同功率的线性电源相比，其输出直流电压的纹渡含量还是大的多。为了降低开关电源的纹波含量，可以把单片开关电源当作前级稳压器，用其输出直流电压为线性集成稳压器供电，再进一步稳压，从而实现优势互补，以构成理想的高效精密稳压电源。

图4所示是一种实用的精密复合式双路输出开关稳压电源的结构图，图5是其具体电路。该电路方案它具有输出纹波电压低、效率高、体积小和重量轻等优点。

此例是一个+5 v和+3.3 v的双路输出开关电源。若主输出U01为+5 v，辅输出U02为+3.3 V，则可作为激光打印机、监视器的电源。若将+3 3 v设计成主输出，+5 v作为辅输出，即可作为笔记本电脑的开关电源。为提高+3．3 v输出电压的稳定度，在输出端还可增加一片可调式精密并联稳压器TL431。该电源的基本参数如下；

(1)固定输入：220V±15％；

(2)双路输出电压U01：+5 V／I.5A；U02：+3.3V/0．4 A：

(3)输出功率P0：15w;

(4)交流输入电压最小值VACmin:195 v；

(5)交流输人电压最大值VACmax:265 v；

(6)网频率fL：50Hz；

(7)开关频率f：100 kHz；

(8)损耗因数Z：典型值0．5 (代表次级损耗与总损耗的比值)。

4 结束语

单片开关电源具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最优性能指标等特点。本文介绍的双路输出精密复合式开关稳压电源采用TOPSwiteh-器件作为前级稳压器，来给低压差线性稳压器LTl528和TPS79133提供直流输人电压，然后利用低压差线性稳压器获得高质量的稳压输出。由于两路输出分别为+5 v和+3.3 v，所以，该实例既可以做激光打印机、监视器的电源，也可以做笔记本电脑的开关电源。该复合式开关电源采用了较新的电路结构，弥补了开关电源输出纹波较大和线性电源体积大、功耗大的不足，因而具有一定的创新性和先进性。