TOPSwitch-I、TOPSwitch-II系列单片开关电源及其应用

TOPSwitch单片电源电路是美国动力（PI）公司的产品，在仪器仪表、笔记本电脑、移动电话、音像设备等系统中获得广泛应用。 这个器件集成了功率开关管（MOSFET）、控制电路、振荡器等于一体。它仅采用三端器件，以最简单的接线方式，构成电源系统。从而极大地简化了150W以下电源系统的设计。

TOPSwitch-I、TOPSwitch-II系列单片电源

一．TOPSwitch-I、TOPSwitch-II系列单片电源器件 　　单片开关电源具有单片集成化、最简外围电路、最佳性能指标、能构成无工频变压器开关电源等显著优点。美国动力公司在世界上率先研制成功的三端隔离式脉宽调制单片开关电源集成电路，被誉为“顶级开关电源”。
TOPSwitch-I系列是美国动力公司1994年推出的第一代产品。包括：TOP100-TOP104、TOP200-TOP204/TOP214、TOP209/TOP210。 TOPSwitch-II则是在1997年推出的第二代产品。第二代产品在电路性能，特别是输出功率上获得大幅度的提高。 这两个系列的封装是一致的，实际上它是一个三端器件。三个脚分别是D、S、C，即漏极、源极、控制极。封装形式有TO-220的三端器件式和DIP-8、SMD-8的八脚双列式两种基本形式。如图1。八脚封装的1-3、6-8通常并联后作为S，所以也相当于三端器件。 这三个脚的含义是：

（a）TO－220封装（b）DIP－8封装和SMD－8封装 图1：TOPSwitch的封装 源极S：连接内部MOSFET的源极，同时也是TOP开关及开关电源初级电路的公共接地点及基准点。 漏极D：是内部MOSFET的漏极，也是内部电流的检测点。该点内部有一电流源提供芯片偏置电流。 控制极C：误差放大电路和反馈电流输入端。其作用是：1）提供自动重启电容连接点并决定重启频率。2）通过调节其输入电流，可以调整占空比。3）为芯片提供正常工作的偏置电流。4）提供旁路和补偿功能的电容连接点。
下面的介绍中，我们以TOPSwitch-II为主。 二．TOPSwitch-II产品的分类及特点 （一）、产品分类 TOPSwitch－Ⅱ与第一代产品相比，它不仅在性能上进一步改进，而且输出功率得到显著提高，现已成为国际上开发中、小功率开关电源及电源模块的优选集成电路，其产品分类见表1。 表1：TOPSwitch－Ⅱ的产品分类及最大输出功率POM（单位：W）

（二）、性能特点 1．将脉宽调制（PWM）控制系统的全部功能集成到三端芯片中。内含脉宽调制器、功率开关场效应管（MOSFET）、自动偏置电路、保护电路、高压启动电路和环路补偿电路，通过高频变压器使输出端与电网完全隔离，真正实现了无工频变压器、隔离式开关电源的单片集成化，使用安全可靠。 2．输入交流电压和频率的范围极宽。作固定电压输入时可选110V／115V／230V交流电，允许变化±15％；在宽电压范围输入时，适配85V～265V交流电，但POM值要比前者降低40％。 3．典型频率100KHz，允许值90-110KHz，占空比调节范围：1.7-67%。 4．TOPSwitch－Ⅱ只有3个引出端，可以同三端线性集成稳压器相媲美，能以最简方式构成无工频变压器的反激式普通型或精密型开关电源。开关频率的典型值为100kHz，允许范围是90kHz～110kHz，占空比调节范围是1.7％～67％。 5．外围电路简单，成本低廉。芯片本身功耗很低，温度范围0-70摄氏度，最高结温135摄氏度。电源效率可达80％左右,比线性集成稳压电源提高了近一倍。 三．TOPSwitch-II的工作原理 TOPSwitch－Ⅱ的内部框图如图4-23所示。主要包括10部分： 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。

图2：TOPSwitch-II内部原理框图 2．带隙基准电压源 给内部提供各种基准电压。 3．振荡器 产生锯齿波（SAW）、最大占空比信号（Dmax）和时钟信号（CLOCK））。 4．并联调整器／误差放大器 5．脉宽调制器 通过改变控制端电流IC的大小，连续调节脉冲占空比，实现脉宽调制并能滤掉开关噪声电压。 6．门驱动级和输出级 内含耐压为700V的功率开关管MOSFET。 7．过流保护电路 利用MOSFET的漏－源通态电阻RDS（ON）来检测过电流，当ID过大时令MOSFET关断，起到过流保护作用。 8．过热保护及上电复位电路 当芯片结温Tj>135℃，关断输出级。 9．关断／自动重启动电路 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，就自动重新启动电源恢复正常工作。 10．高压电流源 提供偏流用。 事实上，TOPSwitch-I也包括这样的十个部分。 TOPSwitch－Ⅱ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。如：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。 四．TOPSwitch-II单片电源的应用 下面这个图，显示了单片开关电源的典型应用方法。

图3：15W-TOPSwitch-II单片电源的应用 该电路交流输入电压范围Ui=85V～265V,AC，输入电网频率f=47Hz～440Hz，电压调整率SV=±0.5％,负载调整率SI=±1％，电源效率达80％，输出纹波电压的最大值为±50mV。 该电源采用带稳压管（VDZ2）的光耦反馈工作方式。电路中共使用两片集成电路，IC1为TOP202Y型单片开关电源，IC2是日本产NEC2501－H型线性光耦合器。C6与L2构成交流输入端的电磁干扰（EMI）滤波器。C6能滤除由初级脉动电流产生的串模干扰，L2可抑制初级绕组中产生的共模干扰。C7和C8为安全电容，能滤除由初、次级绕组之间耦合电容所产生的共模干扰。宽范围电压输入时，85V～265V交流电经过整流器BR、C1整流滤波后，获得直流输入电压Ui。由VDZ1和VD1构成的漏极钳位保护电路可将由高频变压器漏感产生的尖峰电压钳位到安全值以下，并能减小振铃电压。VDZ1选用P6KE150型瞬态电压抑制器（TVS），其钳位电压为150V，钳位时间仅1ns，峰值功率是5W。VD1需采用UF4005型1A/600V的超快恢复二极管（FRD），其反向恢复时间trr=30ns。 次级电压经VD2，C2，L1，C3整流滤波后产生＋7.5V的输出电压。R2和VDZ2与输出端并联，构成开关电源的假负载，可提高空载或轻载时的负载调整率。反馈绕组电压经过VD3整流、C4滤波后，得到反馈电压，再经过光敏三极管给TOP202Y提供一个偏置电压。VD2选择UGB8BT型超快恢复二极管，为降低功耗，还可选肖特基二极管。光耦合器IC2和稳压管VDZ2还构成了TOP202Y的外部误差放大器，能提高稳压性能。 当输出电压UO发生变化时，由于VDZ2具有稳压作用，就使光耦中LED的工作电流IF发生变化，进而改变TOP202Y的控制端电流IC，再通过调节输出占空比，使UO保持稳定，这就是其稳压原理。R1为LED的限流电阻，并能决定控制环路的增益。C5是控制端旁路电容，除对环路进行补偿之外，还决定着自动重启动频率。高频变压器选用EE22型铁氧体磁芯，初级电感量LP=620μH±10％，漏感量LP0≤11μH。  

TOPSwitch-FX系列单片电源

一．芯片简介 Power Integrations（PI）公司在2000年3月发布了新的TOPSwitch-FX开关电源IC系列，它为设计高度集成的电源提供了更大的灵活性，采用的EcoSmart节能技术可以帮助工程师生产出符合环保要求的更加“绿色”的电子产品。器件输出功率最高达75W，可广泛应用于手机充电器、PC待机电源、机顶盒、DVD和LCD显示器等不同领域。 二．引脚： TOPSwitch-FX在TOPSwitch-II三个引脚的基础上增加了二个引脚，其中一个是多功能引脚（M），另一个是频率引脚（F）。

（一）多功能引脚(Multi-Function)： TOPSwitch-FX使多功能可以通过单一的可编程引脚(Multi-Function)来实现。 1．这个引脚可以利用一个电阻同时设置欠压、过压以及前馈的保护功能。当整流后的DC电压值超过了设置的过压阈值时，将强迫TOPSwitch-FX的功率MOSFET关断，增加了对浪涌电压的防护能力。欠压检测可以防止关闭电源时出现瞬变的电压尖峰。执行电压前馈可以减少输出电压纹波。 2．这个引脚还可以允许用几种方式进行TOPSwitch-FX的远程ON/OFF控制。 3．此外，这个引脚还可以用来在外部编程设置精确的电流限值。

（二）频率引脚（FREQUENCY）： 只在TO-220封装下提供，它与控制脚（CONTROL）短接时，可使正常的开关频率130kHz缩小到一半，即65kHz。这对于噪声敏感的视频应用或高效率待机工作模式都是有利的。 三．器件的新功能 TOPSwitch-FX还集成了一些新的功能，其中有： 1．新增多功能引脚，保护功能加强。 2．新增频率引脚，有利于控制噪声和提高待机效率。 3．软启动（Soft-Start），可以降低启动时元器件的峰值电流与电压负荷。 4．频率抖动（Frequency Jitter），可降低电磁干扰。 5．滞后过热保护。 6．采用多方面的EcoSmart节能技术，使能源得到更有效的利用，可实现环保设计。例如，遥控开/关、省略周期（Cycle Skipping）和频率减半等功能可以显著地降低能耗，特别是在待机和空载的条件下。这种特性使得很多电子产品可以达到甚至超过如Energy Star、Blue Angel、Energy 2000之类的通用节能标准。 这个芯片尽管增加了许多新的功能，但仅仅8个月，即被新版本的TOPSwitch-GX替代。因此，该芯片不做课程重点，我们这里重点介绍TOPSwitch-GX芯片。  

TOPSwitch-GX系列单片开关电源

以往芯片存在一些不足：纹波电压较大、空载和轻载损耗大、高温工作时输出功率受限、启动时元件承受较大的尖峰电压和电流以及设计不够灵活等。针对这些不足之处，Power Integrations公司优化了芯片的内部布局，改进了电路功能，于2000年11月新推出了TOPSwitch家族的第四代芯片:TOPSwitch-GX系列。 TOPSwitch-GX系列增加了许多新功能，从而有效地降低了电源系统成本，提高了电源性能，改善了设计灵活性并扩展了电源输出功率。如其中的TOP250型芯片，最大输出功率可达290W，该芯片极大地扩展了开关电源芯片在大功率领域内的应用范围。 一．TOPSwitch-GX系列的功能特点 TOPSwitch-GX系列新增的主要功能及其优点如下： 1．更宽的输出功率范围，最大可达290W。 2．可减少外围器件的损耗。 3．在极低压或过压时能实现完全软启动，进一步减小了器件在启动时的电压、电流应力。 4．外部可编程精确地设定限制电流，减小了变压器铁芯体积，提高了电源效率。 5．更大的占空比，能提供更大的输出功率并减小了输入电容。 6．在Y、R、F型式封装中将电压检测管脚与限流管脚分开封装，提高了设计的灵活性。 7．欠压保护，不会造成误关断。 8．有过压保护，可以限制浪涌电流。 9．采用线电压前馈,减小了低压时的输出电压纹波，限制了高压时的最大占空比（Dmax）。 10．有±3％的频率抖动，减小了电磁干扰（EMI）,并降低了EMI滤波器的损耗。 11．空载、轻载时可降低工作频率，使输出电路无需加假负载，从而显著地减少了能量损耗。 12．高达132kHz的工作频率，减小了变压器和电源的体积。 13．在视频应用时可选择半频（66kHz）运行（只限于Y、R、F封装），有利于控制噪声。 14．温度范围更宽的滞后热关断，允许电源在高温下输出更大的功率，并有效地防止装置过热。 TOPSwitch-GX系列的这些优点使其可广泛地应用于手提电脑、PDA、集线器、交换器、路由器、台式电脑、小型服务器、机顶盒、数码电视、打印机、DVD、UPS、电视游戏机、音频放大器等装置中。

二．器件管脚功能描述

（一）管脚排列 TOPSwitch-GX系列有TOP242—TOP250的9种不同容量型号，又分为Y、P、G、R、F等5种封装形式。根据封装形式不同，TOPSwitch-GX系列芯片新增的管脚数也不同。P、G型封装与第三代芯片TOPSwitch-FX系列一样只有D、S、C、M四个管脚，而Y、R、F型封装则有六个管脚：D、S、C、F、X、L。图4为Y/R/F型封装芯片引脚图，Y、R、F型封装的管脚功能如下。

图4：TOPSwitch-GX引脚图 （二）管脚功能说明 器件的六个引脚说明如下： 1．漏极管脚（D）：高压功率MOSFET漏极输出。通过此脚从高压开关电流源输入内部启动偏置电流。 2．控制管脚（C）：用于调节占空比的误差放大器电流输入脚。在正常操作期间通过连接至内部分流调节器来提供内部偏置电流，也可以作为电源的旁路和自动重启/补偿电容的连接点。 3．源极管脚（S）：内部MOSFET的源极。将其连接至输出MOSFET源极时可得到高压功率回馈。 4．电压检测管脚（L）：作为欠压保护（UV）、过压保护(OV)、减少Dmax的线性前馈及远程开/关等4项功能的控制脚。 1）当脚L与脚S短接时，各项功能均不起作用； 2）当L脚串联电阻接至电源母线时，可实现UV、OV及随母线电压减少Dmax的3项功能； 3）当脚L通过电阻与脚C相连，并外接一级开关信号放大电路时可以实现远程控制开/关的作用。 5．外部限流管脚（X）：用于外部电流限制值设置的输入脚。 1）当串联电阻接至地线时为外部可编程精确设定限流值； 2）当串电阻接至电源母线时可随母线电压调节限流值。 6．频率管脚（F）：用于选择开关频率的输入脚。在多数应用场合下将脚F连接至源极管脚S，此时开关频率为132kHz。在一些特殊应用场合如对噪音敏感的音频设备中，将脚F连接至控制管脚C时开关频率降为66kHz以减小干扰。 三．器件类型及参数 下表是GX系列的器件类型及相关数据。

可以看出，GX系列从6.5W到290W，有比较宽的功率选择范围。 总体分类： 按输入：固定输入为110/115/230VAC，宽输入为：85-265VAC。 按模块外形：密封式和敞开式，后者功率相对更高。 按封装形式：有Y、P、G、R、F等5种封装形式。 其它更具体的模块使用特性及应用要领，需要时我们可以查阅相关手册。 由于许多新的特性和宽的选择范围，这个系列的器件目前是PI公司推广的主流开关电源器件。 四．内部功能原理： 下图是器件的内部原理框图。

图4-5：TOPSwitch-GX的内部原理框图 电路主要包含18部分： 1．控制电压源。 2．带隙基准电压源。 3．频率抖动振荡器。 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。 6．过流保护电路。 7．门极驱动和输出极。 8．具有滞后特性的过热保护电路。 9．高压电流源。 10．软启动电路。 11．关断/自动重启电路。 12．欠压比较器。 13．电流极限比较器。 14．线路比较器。 15．线路检测端和极限电流设定端的内部电路。 16．轻载时自动降低开关频率的电路。 17．停止逻辑。 18．开启电压为1V的电压比较器。 五．TOPSwitch-GX的典型应用 图6给出了GX模块的典型应用实例。

图6：TOPSwitch-GX应用电路 所示电路为单端反激式开关电源，利用了TOPSwitch—GX的某些特性来降低系统成本，减小电源尺寸，提高效率。此电路采用通用的85～265V交流输入，输出12V直流电压，功率70W。考虑到密封适配器的工作环境，选用热损耗最小的TOP249Y。 电阻R9和R10从外部将限流值设定为仅略高于低电压工作时的满载峰值电流，从而允许使用更小的变压器磁芯，同时可以避免启动和输出负载瞬态的磁芯饱和。电阻R9和R10还能使限流值随电压升高而降低，从而限制高输入电压时的最大过载功率，并使次级无需任何保护电路。电阻R11实现欠压和过压检测。当R11=2MΩ时，电源在直流电压达到100V之后才开始工作。在关断交流输入时，欠压检测防止C1放电时的输出干扰，并在输入直流电压降到40V以下时关断TOPSwitch—GX。过压门限值被设定为DC450V，当超过此值时，例如发生电涌时，器件在电涌期间停止工作，从而使器件可以经受700V高压的冲击。 电容C11与VR1并联以降低齐纳箝位损耗，VR1、D1组成缓冲吸收电路，吸收功率器件在关断过程中由于变压器漏感产生的电压尖峰过冲。电路的工作频率为132kHz，可用PQ26/20磁芯提供70W功率。为了调节输出，用光耦（U2）和次级基准一起，通过电阻分压网络（U3，R4，R5，R6）检测输出电压。D3和C12对偏置绕组的输出进行整流和滤波，R8实现漏感尖峰滤波，使偏置电压在输出负载变化很大时仍能保持恒定，为了改善抵抗共摸电涌的能力，偏置绕组的共摸电路直接与直流大电容（C1）相连。 输入电容能提供TOPSwitch-GX所需的最小直流电压，以保证最低额定输入电压和最大输出功率条件下电压受控。由于GX的DCmax比TOPSwitch-Ⅱ的高，它可以使用更小的输入电容。对TOPSwitch-GX而言，通常输入电容可按2μF/W来选取