单片开关电源的应用及发展

摘 要： 目前中、小功率开关电源正朝着单片集成化的方向发展。本文详细阐述近年来问世的各种单片开关电源的性能特点及典型应用。

单片开关电源集成电路具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标、能构成高效率无工频变压器的隔离式开关电源等优点。它于90年代中、后期相继问世后，便显示出强大的生命力，目前它成为国际上开发中、小功率开关电源、精密开关电源及电源模块的优选集成电路。由它构成的开关电源，在成本上与同等功率的线性稳压电源相当，而电源效率显著提高，体积和重量则大为减小。这就为新型开关电源的推广与普及，创造了良好条件。

１ 集成开关电源的发展简况

开关电源被誉为高效节能电源，它代表着稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品。近20多年来，集成开关电源沿着下述两个方向不断发展。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。1997年国外首先研制成脉宽调制（PWM）控制器集成电路，美国摩托罗拉公司、硅通用公司（Silicon General）、尤尼特德公司（Unitrode）等相继推出一批PWM芯片，典型产品有MC3520、SG3524、UC3842。90年代以来，国外又研制出开关频率达1MHz的高速PWM、PFM（脉冲频率调制）芯片，典型产品如UC1825、UC1864。第二个方向则是对中，小功率开关电源实现单片集成化。这大致分两个阶段：80年代初意－法半导体有限公司（SGS－Thomson）率先推出L4960系列单片开关式稳压器。该公司于90年代又推出了L4970A系列。其特点是将脉宽调制器、功率输出级、保护电路等集成在一个芯片中，使用时需配工频变压器与电网隔离，适于制作低压输出（5.1～40V）、大中功率（400W以下）、大电流（1.5A～10A）、高效率（可超过90%）的开关电源。但从本质上讲，它仍属DC/DC电源变换器。

1994年，美国动力（Power）公司在世界上首先研制成功三端隔离式脉宽调制型单片开关电源，被人们誉为“顶级开关电源”。其第一代产品为TOPSwitch系列，第二代产品则是1997年问世的TOPSwitch-II系列。该公司于1998年又推出了高效、小功率、低价格的四端单片开关电源TinySwitch系列。在这之后，Motorola公司于1999年又推出MC33370系列五端单片开关电源，亦称高压功率开关调节器（HighVoltage Power Switching Regulator）。目前，单片开关电源已形成四大系列、近70种型号的产品。

２ TOPSwitch-11系列三端单片开关电源

根据封装形式，TOPSwitch－II可划分成三种类型：TOP221Y~227Y（TO-220封装）， TOP221P~224P（DIP-8封装），TOP221G~224G（SMD-8封装），产品分类详见表１。

其中以TOP227Y的输出功率为最大。

2.1 TOPSwitch-11的性能特点

(1) TOPSWitch-II内部包括振荡器、误差放大器、脉宽调制器、门电路、高压功率开关管（MOSFET）、偏置电路、过流保护电路、过热保护及上电复位电路、关断／自动重启动电路。它通过高频变压器使输出端与电网完全隔离，使用安全可*。它属于漏极开路输出的电流控制型开关电源。由于采用CMOS电路，使器件功耗显著降低。

(2) 只有三个引出端：控制端C、源极S、漏极D，可同三端线性稳压器相媲美，能以最简方式构成无工频变压器的反激式开关电源。为完成多种控制、偏置及保护功能，C、D均属多功能引出端，实现了一脚多用。以控制端为例，它具有三项功能：①该端电压VC为片内并联调整器和门驱动级提供偏压；②该端电流IC能调节占空比；③该端还作为电源支路与自动重启动／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，并对控制回路进行补偿。

　(3) 输入交流电压的范围极宽。作固定电压输入时可选220V±15%交流电，若配85~265V宽范围变化的交流电，最大输出功率要降低40%。开关电源的输入频率范围是47~440Hz。

(4) 开关频率典型值为100KHz，占空比调节范围是1.7%～67%。电源效率为80%左右，最高可达90%，比线性集成稳压电源提高近一倍。其工作温度范围是0～70℃芯片最高结温Tjm=135℃。

(5) TOPSwitch-II的基本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，当由于某种原因致使开关电源的输出电压VOT时，经过光耦反馈电路就使Ic↑→误差电压Vrt→D↓→Vo↓，使Vo保持不变。反之亦然。

(6) 外围电路简单，成本低廉。外部仅需接整流滤波器、高频变压器、初级保护电路、反馈电路和输出电路。采用此类芯片还能降低开关电源产生的电磁干扰。

2.2 典型应用

TOPSwitch-II可广泛用于仪器仪表、笔记本电脑、移动电话、电视机、VCD和DVD、摄录像机、电池充电器、功率放大器等领域，并能构成各种小型化、高密度、低成本的开关电源模块。此外，它还适合构成后备式开关电源，非隔离式开关电源、恒流恒压输出开关电源，供无线通信用的DC/DC电源变换器、恒功率调节器、功率因数补偿器等。

2.3 电路设计要求

(1)TOPSwitch-II的反馈电路中需配光电耦合器与输出电路隔离。设计精密开关电源时，还应增加一片TL431型可调式精密关联稳压器，由它构成外部误差放大器，来代替取样电路中的稳压管。精密开关电源的电压调整率Sv、电流调整率Sl均可达±0.2%左右，接近于线性集成稳压电源的指标。

(2)应选用电流传输比（CTR）能线性变化的光电耦合器，如PC817A，NEC2501、6N137等型号，不推荐采用4N25、4N35等4N××型普通光耦。后者的线性度差，传输模拟信号时会造成失真，影响开关电源的稳压性能。

(3)高频变压器的初级必须设置保护电路，用以吸收漏感引起的尖峰电压，确保MOSFET不被损坏。这种保护电路应并联在初级上，具体有4种设计方案：①由瞬变电压抑制二极管（TVS）和超快恢复二极管（SRD）组成钳位电路；②由TVS与硅整流管（VD）构成的钳位电路；③由阻容元件与SRD构成的吸收电路；④由阻容件与VD构成的吸收电路。上述方案中以①的效果最佳，能充分发挥TVS响应速度极快、可承受高能量瞬态脉冲之优点。方案②次之。

(4)使用芯片时需加合适的散热器。对于TO-220封装，可直接装在小散板上。对于DIP-8和SMD-8封装的可将4个源极焊在面积为2.3的印制板敷铜箔上代替散热片。

(5)为抑制从电网引入的干扰，也防止开关电源产生的干扰向外部传输，需在电源进线端增加一级电磁干扰滤波器（EMI filter）亦称电源噪声滤波器（PNF）。

(6)使用此类芯片时，源极引线要尽量短。为使空载或轻载时输出电压稳定，应在稳压电源输出端接一只几百欧的电阻作为最小负载，亦可并联一只稳压管。