TOPSwitch器件在电源中的应用

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。本文介绍美国功率集成公司（PowerIntegrationsInc.）于九十年代中期研制推出的三端PWM/MOSFET二合一集成控制器件TOPSwitch系列及其在开关电源设计中的应用，同时介绍如何应用EXCEL电子表格设计与TOPSwitch相匹配的高频功率变压器的程序。

1引言

　　MOSFET功率开关、PWM控制器和高频功率变压器是开关电源必不可少的组成部分。其中，特别是PWM控制器和变压器的设计是开关电源设计的关键。

　　传统开关电源设计一般均采用分立的MOSFET功率开关和多引脚的PWM集成控制器，电路的结构非常复杂，系统的稳定性不够理想，分立的MOSFET功率开关对开关电源的效率亦有限制。为了解决传统开关电源设计面临的这些难题，90年代以来，出现了将开关电源中最重要的两个部分——PWM集成电路和MOSFET功率开关，集成在同一块芯片上，构成PWM/MOSFET二合一集成芯片的趋势，二合一集成控制芯片的问世，降低了开关电源设计的复杂性，减少了开关电源设计所需的时间，从而大大加快了产品进入市场的速度。

　　二合一集成控制芯片多采用3脚、4脚、5脚、7脚和8脚封装，交流输入电压为世界各国均可通用的(85～265)V或(90～270)V，开关频率为(30～220)kHz，输出功率从10W到200W，可在充电器、VCR、打印机、适配器、转接器、卫星接收器、个人电脑、监视器和彩电等设备的开关电源中广泛应用，美国功率集成公司（PowerIntegrationsInc.）于九十年代中期研制推出的三端脱线式TOPSwitch系列二合一集成控制器件，大多采用3脚的TO220封装，其引脚数目是目前同类产品中最少的，因而是该类器件的代表性产品。

2TOPSwitch器件简介

　　TOPSwitch系列器件是三端脱线式PWM开关（ThreeterminalOfflinePWMSwtich）的英文缩写。TOPSwitch系列器件主要包括下列型号：TOP100～TOP104，TOP200～TOP204/TOP214，TOP209/TOP210。

　　TOPSwitch系列器件仅用了三个管脚就将脱线式开关电源所必需的具有通态可控栅极驱动电路的高压N沟道功率的MOS场效应管，电压型PWM控制器，100kHz高频振荡器，高压起动偏置电路，带隙基准，用于环路补偿的并联偏置调整器以及误差放大器和故障保护等功能全部组合在一起了。采用TOPSwitch器件的开关电源与采用分立的MOSFET功率开关及PWM集成控制器的开关电源相比，具有以下特点：

　　（1）成本低廉。使用TOPSwitch器件，可减少20～50个元器件，使产品的大小和重量减少50％；TOPSwitch因采用了源极调节板和可控的MOSFET通态驱动，故电磁干扰(EMI)和EMI滤波器的成本可明显降低；

　　（2）系统效率高。TOPSwitch系采用CMOS工艺制作，并在芯片中集成了尽可能多的功能，故与采用二极管或分立的功率开关电路相比，偏置电流显著降低；开关电源所需的功能集成于芯片中后，外部的电流传感电阻和初始起动偏压电流的电路均可除去，系统效率大大提高。特别是TOPSwitch器件专门针对反激式功率变换电路进行了优化，使最大值占空比可达70％，TOP100～TOP104，TOP200～TOP204/TOP214的效率可达90％，TOP209/TOP210的效率也可超过80％；

　　（3）电源设计简化。TOPSwitch器件在3脚的TO220封装中集成了PWM控制器和高压MOSFET功率开关，只需外接一个电容就能实现补偿、旁路、起动和自动重起功能。另外，美国功率集成公司还为TOPSwitch器件提供了许多标准设计的电路板，使应用TOPSwitch的设计更为方便，极大地缩短了产品开发至进入市场所需的时间；

　　（4）应用灵活性高。TOPSwitch器件支持降压型、升压型、正激式和反激式功率变换电路，并且很容易和光耦及变压器初级的反馈电路结合，无论在连续传导模式和不连续传导模式下均可工作；

　　（5）功能完善的系统级故障保护。TOPSwitch具有自动重起和逐周电流限制功能，故可对功率变压器初级和次级电路的故障进行保护。TOPSwitch还具有在片热关闭选通功能，可在电路超负荷时有效地保护电源。

　　一般，TOP100～TOP104主要应用于输入电压为100V或110VAC，功率在（0～60）W范围内的开关电源或功率在（0～110）W范围内采用功率因数校正(PFC)的开关电源。同样适用于功率在（0～25）W范围内的无线通信、有线通信以及其他DC/DC变换的应用。

　　TOP200～TOP204/TOP214则适于输入电压为100V，110V或230VAC，功率在（0～100）W范围内的开关电源〔如在三种输入电压下均能工作，则功率限制在（0～50）W范围内〕，或输入为230V或277VAC，功率在（0～150）W范围内采用功率因数校正的开关电源。

　　由于TOP100～TOP104采用的是350V的MOSFET，TOP200～TOP204/TOP214采用的是700V的MOSFET，故后者能在输入电压更高、系统功率更大的应用中使用。两组器件的内部结构完全相同，均如图1所示。

　　TOP100～TOP104和TOP200～TOP204/TOP214采用图2(a)所示3脚的TO220封装，管脚定义如下：　　漏极——连接内部MOSFET的漏极，在起动时，通过内部高压开关电流源提供内部偏置电流。

　　源极——连接内部MOSFET的源极，是初级电路的公共点，电源回流和基准点。

　　控制极——误差放大电路和反馈电流的输入端。在正常工作时，由内部并联调整器提供内部偏流。系统关闭时，可激发输入电流，同时也是提供旁路、自动重起和补偿功能的电容连接点。

　　值得注意的是，TOP209/TOP210还特别为小功率备用电源应用作了优化，弥补了TOPSwitch系列在这一类应用中的不足。应用TOP209可以设计出性价比更高的开关电源，可为绿色或节能产品，如个人电脑、监视器、UPS、复印机、传真机提供备用电源，还可在诸如电视、家用电器、工业控制器和个人电脑等产品中应用。

　　TOP209/TOP210内部结构和TOP100～TOP104和TOP200～TOP204/TOP214的内部结构相比只有细微的差别。不过，TOP209/TOP210采用的是8脚DIP封装方式，如图2(b)所示。

　　1997年，美国功率集成公司又推出了TOP

图1TOPSwitch系列器件内部结构图

(a)TO220封装(b)DIP8封装

图2TOPSwitch器件管脚

图3TOPSwitch并蛳盗衅骷内部结构图

Switch并蛳盗衅骷。TOPSwitch并蛳盗衅骷同TOPSwitch系列器件相比，内电路作了许多改进，器件对于电路板布局以及输入总线瞬变的敏感性大大减少，故设计更为方便，性能又有了增强，性能价格比更高。与TOPSwitch系列器件相比，TOPSwitch并蛳盗衅骷在输入电压为100V、115V或230VAC时，系统功率从（0～100)W提高到（0～150）W，在三种电压下均可工作时，系统的功率从（0～50）W提高到（0～90）W，从而使得TOPSwitch并蚱骷可在如电视、监视器以及音频放大器等许多新的应用范围内使用。

　　TOPSwitch并蛳盗衅骷包括TOP221～TOP227，其内部结构如图3所示。美国功率集成公司为TOPSwitch并蚱骷提供了多种封装方式，其中8脚的PDIP封装方式内部的引线框，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。

3TOPSwitch器件在不同功率变换拓扑结构中的应用

　　TOPSwitch系列器件可在降压型、升压型、正激和反激式功率变换电路中使用。