TOPSwitch-Ⅱ芯片在具体设计中应注意的事项

摘要：采用PWM控制器和MOSFET功率开关一体化的集成控制芯片是新一代开关电源设计的重要特点和趋势。本文介绍了美国PI公司研制的单片开关电源集成芯片TOPSwitch-Ⅱ系列的特点及其在开关电源设计中的应用，并给出了设计中需要注意的几个问题。同时给出了笔者在所设计的开关电源的连续模式与断续模式下的漏源极电压波形。

叙词：单片开关电源 TOPSwitch 脉宽调制

1、 引言

　　近20年来，集成开关电源沿着下述两个方向不断开展。第一个方向是对开关电源的核心单元——控制电路实现集成化。1977年国外首先研制成功脉宽调制（PWM）控制集成电路，如比较常用的UC3842，MC3520，SG3524，UC3979，UC3942等控制芯片。第二个方向则是对中、小功率开关电源实现单片集成化。1994年美国电源集成公司（Power Integrations Inc）首先研制成功三端隔离、脉宽调制型反激式单片开关电源，被人们誉为“顶级开关电源”，其第一代产品为TOPSwitch系列，第二代产品为TOPSwitch-Ⅱ系列。

　　单片开关电源属于AC-DC电源变换器，芯片的集成度很高，外围电路简单，通过输入整流滤波器，可构成世界通用的各种开关电源或电源模块。电源效率比线性电源有显著提高，体积和重量则大为减小。单片开关电源的迅速发展与应用，使人们多年追求的高性价比、无工频变压器式开关电源变成现实。

2、  TOPSwitch-Ⅱ芯片说明

　　TOPSwitch-Ⅱ系列器件包括TOP221-TOP227，是美国电源集成公司研制的三端隔离、脉宽调制型反激式单片开关电源，其封装形式如图1所示。TOPSwitch-Ⅱ提供TO-220，DIP-8和SMD-8三种封装方式。三个管脚分别为控制端C（Control）、源极S(Source)和漏极D(Drain)。TO-220封装形式可安装外部散热片。DIP-8内部的引线框，可使用6个管脚将热量直接从芯片传送到电路板上，从而节省了使用散热器的成本。

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　　其控制端有四个作用：第一，用电流I_C的大小来调节占空比D。当I_C从6mA减到2mA时，D就由1.7%增至67%。比例系数即为脉宽调制增益。第二，它与内部并联调制器/误差放大器相连，能为芯片提供正常工作所需的偏流。第三，该端还作为电源支路和自动重启动/补偿电容的连接点，通过外接旁路电容来决定自动重启动的频率。第四，对控制回路进行补偿。控制电压V_C的典型值为5.7V，极限电压V_CM=9V，控制端最大允许电流I_CM=100mA。

　　漏极D与片内功率开关管的漏极连通，漏-源击穿电压V_（BR）DS≥700V。

　　TOPSwitch-Ⅱ的内部结构如图2所示。该内部电路一共包括10个部分。

（1）       控制电压源

　　控制电压V_C能向并联调整器和门极驱动提供偏置电压，而控制端电压I_C则能调节占空比。在C-S极间接47μF的旁路电容C_T，即可为门极驱动供给电流，并且由它决定自动重启动频率，同时控制环路的补偿。V_C有两种工作模式，一种是滞后调节，用于启动和过载两种情况，具有延迟控制作用；另一种是并联调节，用于分离误差信号与控制电路的高压电流源。则启动电路是由高压电流提供控制电流I_C，以便给控制电路供电并且对C_T充电。正常启动波形如图3所示。图中V_D表示漏极电压。当V_C首次达到5.7V时高压电流源被关断，脉宽调制器和功率MOSFET就开始工作。此后，I_C改由反馈电路提供。Z_C与外部阻容元件共同决定控制环路的补偿特性。自动重启动电路中的比较器具有滞后特性，它通过控制高压电流源的通断使V_C在4.7—5.7V范围内。

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（2）       带隙基准电压源

　　带隙基准电压源除向内部提供各种基准电压之外，还产生一个具有温度补偿并可调整的电流源，来精确设定振荡器频率和门极驱动电流。

（3）       振荡器

　　内部振荡电容在所设定的上、下阈值电压V_H，V_L之间周期性地线性充、放电便产生了脉宽调制所需要的锯齿波（SAW）；与此同时还产生最大占空比信号（D_max）和时钟信号（CLOCK）。为减小电磁干扰，提高电源效率，振荡频率（即开关频率）设计为100kHz。定义漏极脉宽调制信号中的低电平时间t与周期T的百分比为占空比，有公式：D=t/T，其最小典型值D _min为17%，最大典型值D _max=67%。

（4）       误差放大器

　　误差放大器的作用是当加到控制端的反馈电流超过所需电流值时，就通过误差放大器进行分流，确保V_C=5.7V。控制端电流I_C可直接取自反馈电路，亦可接光耦反馈电路，由光耦合器输出控制电流并实现电气隔离，后者能提高控制灵敏度。

（5）       脉宽调制器

①     通过改变控制端电流I_C的大小，能连续调节脉冲占空比，实现脉宽调制（PWM）。D与I_C呈线性关系。其曲线见图4。在IC=2-6mA范围内，D与I_C呈反比关系。从图可知，脉宽调制器的增益K=-16%/mA。

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②     误差电压V_r经由R_A，C_A组成的截止频率为7kHz低通滤波器，滤掉开关电压噪声之后，加至PWM比较器的同相输入端，再与锯齿波电压V_J进行比较，产生脉宽调制信号V_PWM。总之，TOPSwitch-Ⅱ属于电流控制型开关电源，控制端电压V_C用来掉供偏压，控制端电流I_C则调节占空比。它采用开关频率固定而占空比可调的工作方式，主要信号流程如下：

　　另外其内部结构图2内还有门驱动级和输出级、过流保护电路、过热保护电路、关断/自动重启动电路、高压电流源等。这里就不一一赘述。、

3、  设计中的注意事项

　　一般说来只要按照PI公司的典型电路来设计原理图并制作PCB板并选取合适的元器件，就能够实现电路的基本的功率变换作用。但是设计一台各种性能最优化的开关电源还需要注意以下事项：

（1）       根据不同的功率选择相应的TOPSwitch-Ⅱ芯片，并同时设计相应的变压器。尤其是变压器的励磁电感和磁芯的体积的选取要合适，否则可能输出的功率不能够满足要求。变压器绕制时对气隙的把握一定要合适，气隙太大或会导致励磁电感减小，同时可能会导致输出功率不足。

（2）       典型应用电路图5中的D₂和D₁一定要用快恢复的二极管，否则会导致电路不能正常工作。

（3）       曲型应用电路中的C₄在印制电路板的布局中和TOP芯片连接时布线一定要短、直，否则会导致电路不能正常运行。

（4）       为了减小电压输出的纹波和高频噪声，一般除了采用图示典型应用电路中的电感和电容滤波外，还采用在变压器输出脚上套一块小磁环，即可抑制高频噪声的产生。图6（a）和（b）是加磁环和不加磁环的输出电压波形比较，通过比较可发现高频噪声明显地降低了。不加磁环时高频噪声在2V左右，加上小磁环后减小到50mV。{{分页}}

（5）       要想设计效率较高的开关电源，可设计成在满负荷运行时使该电路工作在断续状态，但可能会导致所使用的芯片成本提高。如工作在连续状态时，采用TOP223就可能满足功率的要求，但为了提高效率，可能需要采用TOP224，同时变压器的磁芯体积要求加，因此设计时要综合考虑。图7（a）和（b）分别为电源工作在连续和断续状态时的D-S的电压波形。

4、  结语

　　TOPSwitch-Ⅱ芯片简单好用，并且容易设计。本人曾经采用TOPSwitch-Ⅱ芯片设计出5—120W系列开关电源，效率达到83%以上。相信读者按照以上规则再查阅PI公司的相关资料，一定会很快地设计出一台基本满足要求的小功率电源。但要想各方面性能都令人满意，需要很强的实践经验和扎实的理论基础并且不断地摸索才能成功。本人结合自己的亲身实践，对TOPSwitch-Ⅱ芯片进行了详细的介绍，并给出了设计中应该重点考虑的事项。给出了该芯片工作时的一些波形。TOPSwitch芯片在单片开关电源芯片家族中占有重要的地位，它简单实用，开发周期短，性能价格比高，目前已经应用在许多领域，相信随着人们对此芯片了解的逐渐加深圳，TOPSwitch-Ⅱ芯片会得到更加广泛的应用。