TOPSwitch-GX开关电源器件

TOPSwitch-GX系列开关电源器件是小功率开关电源的优选产品。可做成各种小型化DC/DC、AC/DC电源模块，也可用于个人电脑、各种适配器，LCD监视器，打印机，电子仪器仪表和各种音视频设备等领域。

TOPSwitch-GX采用TOPSwitch相同的布局，有效地把高压功率MOSFET器件、PWM控制、故障保护和其它控制电路集成到了单片CMOS上。为了降低系统成本和改善设计灵活性、环境温度和功率，TOPSwitch-GX在TOPSwitch系列基础上增加了许多新功能，TOP242-249属于TOPSwitch-G系列产品。

按封装形式，TOPSwitch-GX分为三种类型：（1）Y型：采用单列直插TO-220-7C封装；（2）P型：采用双列直插式DIP-8B封装；(3) G型：采用表面帖封式SMD-8B封装。Y型封装需外加散热器，P/G型封装可借助印刷板上公共地区域来代替散热器，将S极焊接在敷铜板上。

产品主要有如下性能特点：输出功率可达250W；外围电路简单，成本低；在极低压或过冲情况下能充分集成软启动；外部可编程精确电流限制的高效率，低成本设计和功率可限电路； 线性欠压保护，无关断干扰。

如图1所示为Y型封装的芯片内部原理框图，P/G型封装与Y型封装类似。

控制极是一个低阻抗接点，能接收合并的能量和反馈电流。正常工作时，并联调整器从供给电流中分离反馈信号。控制端电压（Vc）是包括MOSFET门驱动和控制电路的电源电压。在控制极和源极之间所接的旁路电容提供了瞬时门驱动电流。这个端的总电容量设定了自动-重启动时间和控制环路补偿。

启动初期，经整流后的直流高电压供给漏极(D)时，MOSFET关闭，此时控制端电容通过接到内部漏极和控制极的开关高压电流源充电。当控制端电压达到5.8V时，控制电路动作并软启动开始。MOSFET管的导通占空比逐渐增大，从零到最大值约10ms以上。软启动结束后，如果没有外部反馈电流输入控制端，高压电流源关断并且控制端将通过控制电路放电以响应供给电流。

内部振荡器通过一个内部电容在两个电压(4.8～5.8V)之间线性地充放电产生一个锯齿波信号送入脉宽调制器。这个振荡器设定脉宽调制器在每个周期开始时的电流限制锁定。选择132KHz的开关频率确保变压器尺寸最小，并且保持电磁辐射(EMI)频率在150KHz以下。对于Y型封装，频率端与控制端短接，开关频率降为66KHz（半频），可用于对噪声敏感的视频领域或高效率备用电源模块。

脉宽调制器利用可变占空比的电流输入到控制端以驱动输出MOSFET管实现电压控制。最大占空比(Dcmax)是预设的MOSFET管最大导通比为78%（典型值），当输入电压升高时，最大占空比将从78%降到38%。

脉宽调制器占空比降低，输出功率减小。当占空比下降到10%以下时，为了保持轻载高效，频率将线性地减小到占空比为0%的最小频率30KHz和15KHz（分别对应正常工作频率的132KHz和66KHz）。降低了开关损耗并保持了低的输出纹波。

并联调整器兼具有误差放大器的功能。并联调整器的基准电压来源于经温度补偿后的带隙基准值。误差放大器增益通过控制端的动态阻抗被设定。控制端控制外电路信号到标准电压Vc。控制端电流超额部分被分离给并联调整器和流过Re作为误差电压信号。

加电时，在输入线电压达到UV阈值之前，UV保持TOPSwitch-GX关断。掉电时，输出超过规定值后，UV防止了自动-重启动。从L或M端到DC高电压端的电阻设定了UV在加电时的阈值。同样的方法设定了OV阈值，一旦超过它，强迫TOPSwitch-GX输出关断。UV和OV阈值之比被设定为4.5。

TOPSwitch-GX通过控制流入L端电流或从X端流出的电流和从M端流入或流出的电流实现开/关切换。另外，L端连接有1V阈值比较器，这个阈值电压也能实现远程开/关控制。在X、L或M和源极之间用晶体管或光耦输出连接实现了激活打开功能，在L或M和控制极之间用晶体管或光耦连接实现了激活关断功能。

在启动持续10ms后，软启动的二个功能被激活。最大占空比开始从0%线性地增加到默认的78%，并且限制电流开始从大约85%线性地增加到100%。除此之外，软启动在自动-重启动期间每次企图重启动和在远程关断或热关断下，控制电压滞后调节后重启动时也被激活。软启动有利于输出过冲最小和防止变压器饱和。

在恶劣条件下，为了将TOPSwitch-GX的功率损耗减小到最低，如果缺乏持续的调节环境，关断/自动-重启动电路在自动-重启动占空比4%（典型值）转换电源开和关。控制端电压调节在分流模式和滞后的自动-重启动模式间转换。

图2所示电路是一款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。这种设计在12V输出时，提供输出功率为30W，输出纹波不大于50mVp-p，输入电压范围为85～265VAC，环境温度为50℃，使用TOP224Y在满载下可达到标称效率80%。

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100VDC和OV为450VDC。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）使输出可达15V，提高了电源效率。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12VDC输出电压稳定在±5%。

低成本瞬间触点开关在一些应用程序（如打印机）要求的微处理器控制下能用于开/关TOPSwitch-GX电源。低效远程关断这一特点允许使用少量外部元件实现这一精美功能，如图3所示。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。

综上所述，除了使用少量元件之外，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。■

参考文献

1 Power Integrations , INC. TOPSwitch-GX(TOP242-249) Datasheets, November.2000

2 Power Integrations , INC. TOPSwitch Datasheets, 1997.10