TOPSwitchFX系列单片开关电源的原理与应用

TOPSwitchFX系列是美国PowerIntegrations公司继TOPSwitch、TOPSwitch并蛑后，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。TOPSwitchFX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（SettopBoxPowerSupply）、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并蛳盗械娜部优点之外，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

TOPSwitchFX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DIP8、SMD8、TO2207B封装。其最大输出功率为75W。其中，TO2207B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。DIP8和SMD8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，TOPSwitchFX即工作在三端模式下，与TOPSwitch并蛳嗨啤

2TOPSwitchFX的工作原理

TOPSwitchFX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Tj70℃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。

TOPSwitchFX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。TOPSwitchFX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并虻闹匾区别之一。

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，TOPSwitchFX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

TOPSwitchFX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并虻牧硪幌灾区别。其内部自保护极限电流值见表1。TOPSwitchFX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MS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