第四代TOPSwitchGX系列单片开关电源

　　　第四代TOPSwitchGX系列单片开关电源

　　吴芳，黄声华

　　(华中科技大学电气与电子工程学院，湖北武汉430074）

　　摘要：TOPSwitchGX是美国PowerIntegrations公司在继TOPSwitchI、II、FX三个系列之后，开发的最新单片开关电源系列。该系列芯片通过改进布局，扩展了电源功率，增加了大量新功能，从而有效地提高了电源设计的灵活性及电源效率。介绍了新型TOPSwitchGX系列中TOP242250芯片的性能特点、工作原理。关键词：TOPSwitchGX；单片开关电源；软启动；高效率FourthGenerationTOPSwitchGXSeriesICPowerSupply

　　1引言

　　开关电源由于在体积、重量、效率和可靠性等多方面的优势,目前在计算机、通信、家用电器、雷达、空间技术等众多领域中已完全取代了传统的线性稳压电源。美国PowerIntegrations公司在20世纪90年代推出的单片集成化开关电源TOPSwitchI、II、FX系列产品，为新型、高效、低成本开关电源的推广与普及创造了良好条件，被誉为“顶级开关电源”。但是这些IC电源仍存在一些不足：纹波电压较大、空载和轻载损耗大、高温工作时输出功率受限、启动时元件承受较大的尖峰电压和电流以及设计不够灵活等。针对这些不足之处，PowerIntegrations公司优化了芯片的内部布局，改进了电路功能，于2001年新推出了TOPSwitch家族的第四代芯片:TOPSwitchGX系列。

　　TOPSwitchGX系列不仅继承了早期的TOPSwitch将高压功率MOSFET管、PWM控制、故障自动保护及其它控制电路集成在一个CMOS芯片上的优点，而且还增加了许多新功能，从而有效地降低了电源系统成本，提高了电源性能，改善了设计灵活性并扩展了电源输出功率。其中的TOP250型芯片是世界上功率最高的单片电源IC，其最大输出功率可达290W，该芯片极大地扩展了开关电源芯片在大功率领域内的应用范围。

　　2新增功能介绍

　　TOPSwitchGX系列新增的主要功能及其优点如下：

　　1）更宽的输出功率范围，最大可达290W;

　　2）可减少外围器件的损耗;

　　3）在极低压或过压时能实现完全软启动，进一步减小了器件在启动时的电压、电流应力；

　　4）外部可编程精确地设定限制电流，减小了变压器铁芯体积，提高了电源效率;

　　5）更大的占空比，能提供更大的输出功率并减小了输入电容;

　　6）在Y、R、F型式封装中将电压检测管脚与限流管脚分开封装，提高了设计的灵活性;

　　7）欠压保护，不会造成误关断;

　　8）有过压保护，可以限制浪涌电流;

　　9）采用线电压前馈,减小了低压时的输出电压纹波，限制了高压时的最大占空比（Dmax）;

　　10）有3％的频率抖动，减小了电磁干扰（EMI）,并降低了EMI滤波器的损耗;

　　11）空载、轻载时可降低工作频率，使输出电路无需加假负载，从而显著地减少了能量损耗;

　　12）高达132kHz的工作频率，减小了变压器和电源的体积;

　　13）在视频应用时可选择半频（66kHz）运行（只限于Y、R、F封装）;

　　14）温度范围更宽的滞后热关断，允许电源在高温下输出更大的功率，并有效地防止装置过热。

　　TOPSwitchGX系列的这些优点使其可广泛地应用于手提电脑、PDA、集线器、交换器、路由器、台式电脑、小型服务器、机顶盒、数码电视、打印机、DVD播放器、UPS、电视游戏机、音频放大器等装置中。

　　3管脚功能描述

　　TOPSwitchGX系列有TOP242—TOP250的9种不同容量型号，又分为Y、P、G、R、F等5种封装形式。根据封装形式不同，TOPSwitchGX系列芯片新增的管脚数也不同。P、G型封装与第三代芯片TOPSwitchFX系列一样只有D、S、C、M四个管脚，而Y、R、F型封装则有六个管脚：D、S、C、F、X、L。图1为Y/R/F型封装芯片引脚及内部功能方框图。Y、R、F型封装的管脚功能如下。

　　漏极管脚（D）高压功率MOSFET漏极输出。通过此脚从高压开关电流源输入内部启动偏置电流。

　　控制管脚（C）用于调节占空比的误差放大器与电流输入脚。在正常操作期间通过连接至内部分流调节器来提供内部偏置电流，也可以作为电源的旁路和自动重启/补偿电容的连接点。

　　源极管脚（S）将其连接至输出MOSFET源极时可得到高压功率回馈。

　　电压检测管脚（L）作为欠压保护（UV）、过压保护(OV)、减少Dmax的线性前馈及远程开/关等4项功能的控制脚。当脚L与脚S短接时，各项功能均不起作用；当L脚串联电阻接至电源母线时，可实现UV、OV及随母线电压减少Dmax的3项功能；当脚L通过电阻与脚C相连，并外接一级开关信号放大电路时可以实现远程控制开/关的作用。

　　外部限流管脚（X）用于外部电流限制值设置的输入脚。当串联电阻接至地线时为外部可编程精确设定限流值，当串电阻接至电源母线时可随母线电压调节限流值。

　　频率管脚（F）用于选择开关频率的输入脚。在多数应用场合下将脚F连接至源极管脚S，此时开关频率为132kHz。在一些特殊应用场合如对噪音敏感的音频设备中，将脚F连接至控制管脚C时开关频率降为66kHz以减小干扰。

　　4典型应用实例

　　4130W通用高效电源

　　图2是一个30W高效通用电源电路。该电路利用TOPSwitchGX的某些特点降低了系统成本和减小了电源尺寸，并且改善了效率。实现了初、次级的完全隔离。电源性能指标为：输出电压为12V，输出功率为30W，输出纹波不大于50mVpp，输入电压范围为85～265V交流，环境温度为50℃，满载时可达到标称效率80％。

　　电路原理：电流限制通过外部电阻R1和R2被设定。随着线性电压的升高，电阻R1和R2分压提供给X端的信号降低了电流限制。电阻R4提供了线性检测，设置UV为DC100V和OV为DC450V。R5，C5提供环路补偿。次级电压通过D8,C10,C11整流、滤波，L3,C12开关噪声滤波后输出直流电压。使用60V的肖特基整流器（D8）来提供15V的输出电压，从而大大提高了电源的效率。输出电压由齐纳二极管（VR2）、光耦（U2）内部二极管和电阻R6决定。在非线性、加载和元件参数变化时，电阻R8提供给齐纳二极管VR2偏置电流，调节12V直流输出电压稳定在5％内。使用TOPSwitchGX可消除在进行无负载调节时使用假负载，并可减少无负载和轻载下的电源损耗。

　　42微处理器（MPU）控制电源远程开/关

　　低成本瞬间触点开关在一些应用程序（如打印

　　图230W高效通用电源电路图

　　图3运用MPU远程控制电源的开/关电路图

　　机）要求的微处理器控制下能用于开/关。TOPSwitchGX芯片内置的远程开/关功能允许使用少量外部元件实现这一功能，具体电路如图3所示。

　　电路原理：每当用户闭合按钮瞬间触点开关P1时，光耦U3被激活，把信号传送给微处理器的逻辑输入端。首先，当电源断开时(M端处于浮动状态)，P1关闭，通过一只二极管短接TOPSwitchGX的M端和源极打开电源。当次级输出电压VCC建立时，微处理器被激活并且确认由光耦U3输出信号驱动开关状态输入，开关P1关闭。然后微处理器通过光耦U4发送电源控制信号使电源处于接通状态。如果用户再次按下开关P1，发出关断命令，微处理器通过光耦U3检测它并且启动产品专用的关程序。例如，在喷墨打印机中，关程序包括可以在存储位置安全地停止打印头。在有磁盘驱动器的产品中，关程序包括保存数据和调整磁盘。在关程序完成后，安全地关掉电源时，微处理器通过断开光耦U4释放M端。如果手动开关和光耦U3、U4不设置接到M端，当M端开路时，电容CM可以防止噪声耦合到这个端。

　　电源也能通过局域网或由光耦U4输入LED逻辑信号到并行或串行口远程控制打开。有时通过一根电缆(如交流耦合电缆)替代直流逻辑电平发送一列逻辑脉冲作为提醒信号，是更容易的。因此，简单的RC滤波器用来产生一个直流电平去驱动U4(在图3中没有显示出来)。远程打开特点能用来提醒外围设备，例如打印机、扫描仪、外部的调制解调器、磁盘驱动器等。如果外围设备在一个时段内不保存功率，则通常被设计为自动关断状态。 5结语

　　综上所述，除了使用少量外围元件之外，TOPSwitchGX在这类应用中还提供了许多技术优势：如在关断模式下功率消耗极小，低成本、低冲击电压/电流，使用瞬间触点开关，瞬间开关无需防反跳电路，设计灵活等。采用TOPSwitchGX系列开关器件可以设计出各种高效率、多输出端电源，广泛应用于各种领域。

　　TOPSwitchGX的一系列设计工具软件及选型表可以从生产商PowerIntegrations公司网址：http://www/powerint.com下载，还可以从网上申请一套包括30W电源原型电路板、TOPSwitch－GX样品和全套软件的设计工具包。国内总代理为香港科汇(亚太)有限公司