摘要：TOPSwitch-GX器件是一種PWM/MOSFET二合一的新型集成芯片，它采用與TOPSwitch相同的電路，擴(kuò)展了TOPSwitch系列的功率范圍，還集成了多項(xiàng)新功能。介紹了一種用TOP249Y設(shè)計(jì)的封閉式電源，使用了TOPSwitch-GX的線路檢測(cè)功能和外部限流功能，設(shè)計(jì)新穎，具有一定的實(shí)用性。

　　從20世紀(jì)70年代以來(lái)，大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，使開(kāi)關(guān)電源有了質(zhì)的飛躍，掀起了電源產(chǎn)品高頻化、小型化、模塊化的浪潮。對(duì)于200W以下的開(kāi)關(guān)電源，與其它電路相比，應(yīng)用TOPSwitch所需的元器件少。目前開(kāi)關(guān)電源的體積主要還是由電容、電感和變壓器等儲(chǔ)能元件決定，而應(yīng)用TOPSwitch系列器件的電路簡(jiǎn)捷，體積小，重量輕，自保護(hù)功能齊全，設(shè)計(jì)方便。TOPSwitch-GX采用與TOPSwitch相同的拓?fù)潆娐?，將高壓功率MOSFET、脈寬調(diào)制（PWM）控制器、故障自動(dòng)保護(hù)和其它控制電路集成到單片CMOS芯片中，工作頻率提高到132kHz.TOPSwitch-GX系列輸出功率。

　　TOPSwitch-GX不僅擴(kuò)展了TOPSwitch系列的功率范圍，將單電壓輸入時(shí)的功率提高到250W,還集成了多項(xiàng)新功能，可以降低系統(tǒng)成本，提高設(shè)計(jì)的靈活性、性能和效能。TOPSwitchGX除了標(biāo)準(zhǔn)的漏極、源極和控制極外，不同封裝的TOPSwitch-GX還另有1至3個(gè)引腳，這些引腳的不同配置可以實(shí)現(xiàn)不同功能，包括線路檢測(cè)（過(guò)壓/欠壓，電壓前饋/降低DCmax）和外部設(shè)定限流等。

　　1高效率70W通用開(kāi)關(guān)電源模塊

　　TOPSwitchGX適合制作低成本、高效率、小尺寸、全密封式開(kāi)關(guān)電源模塊或電源適配器（adapter）。由TOP249Y構(gòu)成的密封式70W（19V,3.6A）通用開(kāi)關(guān)電源模塊，電路如圖1所示。當(dāng)環(huán)境溫度不超過(guò)40℃時(shí)，模塊的外形尺寸可減小到10.5mm×5.5mm×2.5mm.設(shè)計(jì)的交流輸入電壓范圍是85V~265V,這屬于全世界通用的電壓范圍。該電源能同時(shí)實(shí)現(xiàn)輸入欠壓保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、從外部設(shè)定極限電流、降低占空比等功能，其主要技術(shù)指標(biāo)為：

　　額定輸出功率PO=70W;

　　負(fù)載調(diào)整率SI=±4%;

　　電源效率η≥84%（當(dāng)交流輸入電壓U=85V時(shí)，滿載效率可達(dá)85%;當(dāng)U=230V時(shí)，電源效率高達(dá)90%）；

　　空載功率損耗<0.52W（U=230V時(shí)）；

　　圖1高效率70W通用開(kāi)關(guān)電源模塊電路

　　輸出紋波電壓≤120mV（峰峰值）。該電源共使用3片集成電路：TOP249Y型6端單片開(kāi)關(guān)電源（IC1）；線性光耦合器PC817A（IC2）；可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431（IC3）。當(dāng)輸入直流電壓過(guò)壓時(shí)。R9和R10還能自動(dòng)降低占空比Dmax,對(duì)負(fù)載功率加以限制。R11為欠壓或過(guò)壓檢測(cè)電阻，并能給線路提供電壓前饋，以減少開(kāi)關(guān)頻率的波動(dòng)。取R11=2MΩ時(shí)，僅當(dāng)直流輸入U(xiǎn)I電壓達(dá)到100V時(shí)，電源才能起動(dòng)。TOPSwitchGX的欠壓電流IUV=50μA,過(guò)壓電流IOV=225μA.有公式

　　UUV=IUV·R11（1）

　　UOV=IOV·R11（2）

　　將R11=2MΩ分別代入式（1）和式（2）中得到，UUV=100V（DC），UOV=450V（DC）。過(guò)壓時(shí)占空比Dmax隨流入X端的電流IX的增大而減小，當(dāng)IX從90μA增加到190μA時(shí)，占空比Dmax就從78%（對(duì)應(yīng)于UUV=100V）線性地降低到47%（對(duì)應(yīng)于375V）。在掉電后，欠壓檢測(cè)能在C1放電時(shí)減少輸出干擾，只要出現(xiàn)輸出調(diào)節(jié)失效或者輸入電壓低于40V的情況，都會(huì)使TOPSwitchGX關(guān)閉。當(dāng)開(kāi)關(guān)電源受到450V以上的沖擊電壓時(shí)，R11同樣可使TOP249關(guān)斷，避免元器件受到損壞。

　　由VDZ1和VD1構(gòu)成的漏極鉗位電路，能吸收在MOSFET關(guān)斷時(shí)由高頻變壓器初級(jí)漏感產(chǎn)生的尖峰電壓，保護(hù)MOSFET不受損壞。VDZ1采用鉗位電壓為200V的P6KE200型瞬態(tài)電壓抑制器，VD1選用UF4006型超快恢復(fù)二極管，其反向耐壓為800V.將電容C11和VDZ1并聯(lián)后，能減少鉗位損耗。選擇全頻工作方式時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率設(shè)定為132kHz.為了減小次級(jí)繞組和輸出整流管的損耗，現(xiàn)將次級(jí)繞組分成兩路，每路單獨(dú)使用一只MBR20100型20A/100V的共陰極肖特基對(duì)管（VD2、VD3），然后并聯(lián)工作。輸出濾波電路由C2、C3、L1、C4和C14構(gòu)成?？蛰d時(shí)，TOP249Y能自動(dòng)降低開(kāi)關(guān)頻率，使得在交流230V輸入時(shí)電源損耗僅為520mW.TOP249Y具有頻率抖動(dòng)特性，這對(duì)降低電磁干擾很有幫助。只要合理地選擇安全電容C7和EMI濾波器（L2、L3、C6）的元件值，就能使開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的電磁輻射符合CISPR22（FCCB）/EN55022B國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。將C7的一端接UI的正極，能把TOP249Y的共模干擾減至。需要指出，C7和C6都稱作安全電容，區(qū)別只是C7接在高壓與地之間，能濾除初、次級(jí)耦合電容產(chǎn)生的共模干擾，在IEC950國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中稱之為"Y電容".C6則接在交流電源進(jìn)線端，專門濾除電網(wǎng)線之間的差模干擾，被稱作"X電容".

　　精密光耦反饋電路由IC2、IC3等組成。輸出電壓UO通過(guò)電阻分壓器R4~R6獲得取樣電壓，與TL431中的2.50V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較后產(chǎn)生誤差電壓，再經(jīng)過(guò)光耦去改變TOP249Y的控制端電流IC,使占空比發(fā)生變化，進(jìn)而調(diào)節(jié)UO保持不變。反饋繞組的輸出電壓經(jīng)VD4、C15整流濾波后，給光耦中的接收管提供偏壓。C5還與R8一起構(gòu)成尖峰電壓濾波器，使偏置電壓在負(fù)載較重時(shí)能保持恒定。R7、C9、C10和R3、C5、C8均為控制環(huán)路的補(bǔ)償元件。

　　2由TOP249Y構(gòu)成的DC/DC變換式250W

　　開(kāi)關(guān)電源

　　需要指出，設(shè)計(jì)人員所預(yù)期的輸出功率值可能對(duì)應(yīng)于幾種不同型號(hào)的芯片。此時(shí)從橫坐標(biāo)垂直上移時(shí)所遇到的條實(shí)曲線，就代表輸出功率、成本的TOPSwitchGX芯片，而遇見(jiàn)的一條實(shí)曲線，則表示功率、效率、價(jià)格較貴的芯片。應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理地選擇。此外，若UO為5V~12V中間的某一數(shù)值，則可用外插法從兩條曲線中間找一個(gè)合適的工作點(diǎn)。注意，適當(dāng)提升輸出電壓可以提高電源效率。例如在一個(gè)通用型12V、70W的設(shè)計(jì)曲線中，用TOP249Y估計(jì)有79.5%的效率，若將輸出電壓提升到19V,效率就將達(dá)到85%.而由TOP249Y構(gòu)成交流230V輸入、輸出為48V、250W的敞開(kāi)式開(kāi)關(guān)電源，其效率可達(dá)84.5%.

　　該DC/DC變換式開(kāi)關(guān)電源采用一片TOP249Y,輸入為250V~380V直流電壓，輸出為48V、5.2A（250W），電源效率可達(dá)84%.其電路如圖2所示。C1為高頻濾波電容，專門抑制從輸入端引入的電磁干擾。由于TOP249工作在它的功率上限，因此需將X端與源極S短接，把極限電流設(shè)置為內(nèi)部值，即ILIMIT=ILIMIT（max）=5.7A.在L端到UI之間接一只2MΩ的電阻R1,可進(jìn)行線路檢測(cè)。若UI>450V,則TOP249Y停止工作，直到電壓恢復(fù)正常。這就有效地防止了元器件損壞。

　　由于初級(jí)電流較大，須采取以下措施：，采用低泄漏電感的高頻變壓器并在初、次級(jí)之間增加屏蔽層，將漏感減至；第二，在鉗位保護(hù)電路中的瞬態(tài)電壓抑制器兩端并聯(lián)阻容元件R2、R3、C6,構(gòu)成保護(hù)功能完善的VDZ1、VD1、R、C型鉗位及吸收電路，以便吸收掉漏感上較大的磁場(chǎng)能量。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于，正常工作時(shí)VDZ1的損耗非常小，泄漏磁場(chǎng)能量主要由R2和R3分擔(dān)；VDZ1的關(guān)鍵作用是限制在起動(dòng)（或過(guò)載）情況下的尖峰電壓，確保內(nèi)部MOSFET的漏極電壓低于700V.

　　次級(jí)繞組電壓首先經(jīng)過(guò)VD2、C9、C10和C11整流、濾波，再通過(guò)L2、C12濾除開(kāi)關(guān)噪聲之后，獲得穩(wěn)定的直流輸出電壓UO.為減小濾波電容的等效電感，現(xiàn)將C9、C10和C11作并聯(lián)使用。穩(wěn)壓管VDZ2、VDZ3和VDZ4的穩(wěn)壓值分別為22V、12V、12V,串聯(lián)后的總穩(wěn)壓值UZ=46V,穩(wěn)定電流IZ≈10mA.設(shè)光耦中紅外發(fā)光二極管LED的正向壓降為UF,輸出電壓由下式確定：

　　圖2250W開(kāi)關(guān)電源電路

　　UO=UZ+UF+UR6≈46V+1V+10mA×100Ω=48V

　　R6是LED的限流電阻，它還決定控制環(huán)路的增益。二極管VD4和電容C14構(gòu)成軟起動(dòng)電路。剛上電時(shí)，由于C14兩端壓降不能突變，致使VD6因負(fù)極接低電平而導(dǎo)通，此時(shí)穩(wěn)壓管不工作。C13和R8為高壓控制回路的頻率補(bǔ)償元件。為了保證TOP249Y能在滿載情況下正常輸出，必須給TOP249Y加上面積足夠大的散熱器，使芯片即使在低壓輸入或環(huán)境溫度下工作，芯片的結(jié)溫也不超過(guò)110℃（僅對(duì)Y封裝而言，其他封裝均不得超過(guò)100℃）。若受安裝條件限制，無(wú)法加裝大散熱器，則必須進(jìn)行通風(fēng)降溫。

　　3由TOP246Y構(gòu)成的45W多路輸出式開(kāi)關(guān)

　　電源

　　由TOP246Y構(gòu)成45W多路輸出式開(kāi)關(guān)電源的電路如圖3所示。它可作為機(jī)頂盒、電報(bào)譯碼器、大容量硬盤驅(qū)動(dòng)器或筆記本電腦的開(kāi)關(guān)電源。其余各路為輔輸出。R2為極限電流設(shè)定電阻，取R2=9kΩ時(shí)，可將極限電流設(shè)定為典型值的80%,即=80%ILIMIT,從而限制了過(guò)載功率。R1是線路檢測(cè)電阻，當(dāng)整流濾波后的直流輸入電壓超過(guò)450V時(shí)，它通過(guò)檢測(cè)浪涌電流和瞬態(tài)電流來(lái)進(jìn)行過(guò)壓保護(hù)，迫使TOP246Y關(guān)斷，起到了保護(hù)作用。這對(duì)電網(wǎng)供電質(zhì)量欠佳的地方尤為必要。

　　由VDZ1、VD6、R5和C5構(gòu)成的初級(jí)鉗位電路，能使漏極電壓在所有情況下均低于700V.R5和C5組成尖峰電壓吸收電路，正常工作時(shí)可將瞬態(tài)電壓抑制器VDZ1上的功率損耗降至，除非發(fā)生過(guò)載情況。剛上電時(shí)，利用熱敏電阻（RT）可對(duì)C2的沖擊電流加以限制，防止保險(xiǎn)絲損壞。壓敏電阻（RV）的作用是吸收從電網(wǎng)竄入的浪涌電壓。

　　若已確信開(kāi)關(guān)電源總處于低壓輸入情況，可適當(dāng)提高鉗位電壓UB和感應(yīng)電壓UOR.這樣雖然會(huì)增大次級(jí)峰值電流ISP,卻能提高總的電源效率并降低芯片功耗。令輸出整流管的反向耐壓值為U（BR）S,有下述關(guān)系式：UOR↑→D↓→IRMS↓→Tjmin↓→U（BR）S↓。這就便于選擇低耐壓、高效率的肖特基二極管作整流管；（3）對(duì)于TOPSwitchGX芯片，可得到兩個(gè)互相獨(dú)立的輸出功率值。一個(gè)是通過(guò)設(shè)定工作參數(shù)（例如Dmax、）而得到的；將電源適配器設(shè)計(jì)在連續(xù)模式下工作，能夠降低芯片的功耗；

　　為減小高頻變壓器的體積，次級(jí)繞組采用堆疊式繞法。輔輸出繞組的電位參考點(diǎn)接VD10的負(fù)極而不是正極，目的是把高壓輸出的電壓偏差降至。次級(jí)電壓經(jīng)過(guò)VD7~VD11、C7、C9、C11、C13、C16、C14和C17進(jìn)行整流濾波。3.3V和5V輸出端的兩只濾波電容需作并聯(lián)使用，以減小輸出端的紋波電流。后置濾波器由L2~L5、C8′、C10、C12、C15和C18構(gòu)成。電阻R6可防止30V繞組端在輕載時(shí)的峰值充電電流。3.3V輸出經(jīng)R11和R10取樣后，接IC3（TL431A）的基準(zhǔn)端，通過(guò)光耦I(lǐng)C2（LTV817）去調(diào)節(jié)TOP246Y的輸出占空比。R8為IC3提供偏置電流，R7用來(lái)設(shè)定整個(gè)反饋電路的直流增益。R9、C19、R3和C5均為反饋電路中的補(bǔ)償元件。C20為軟起動(dòng)電容。

　　圖3由TOP246Y構(gòu)成的多路輸出式45W開(kāi)關(guān)電源電路

　　4使用注意事項(xiàng)

　?。?）輸入濾波電容（圖1、圖2中為C1,圖3中為C2）的負(fù)極應(yīng)直接連反饋繞組（稱之為開(kāi)爾文連接），以便將反饋繞組上的浪涌電流直接返回到輸入濾波電容，提高抑制浪涌干擾的能力。

　?。?）控制端附近的電容應(yīng)盡可能靠近源極和控制端的引腳。S極與C、L（或M）、X極需各通過(guò)一條獨(dú)立的支路相連，不得共享一條支路。禁止讓MOSFET的開(kāi)關(guān)電流通過(guò)連接CS極的支路。此外，S、L、X端的引線與外圍相關(guān)元件的距離也要盡量短捷，并且遠(yuǎn)離漏極D的支路，以防止產(chǎn)生噪聲耦合。

　?。?）圖1中的線路檢測(cè)電阻R1應(yīng)盡可能接近于L（或M）引腳。

　?。?）控制端的旁路電容C5（47μF）與一只高頻旁路電容C8（0.1μF）相并聯(lián)，可以更好地抑制噪聲。反饋電路的輸出端，應(yīng)盡可能靠近C、S極。

　　TOPSwitchGX在寬范圍輸入、輸出為5V或12V時(shí)，關(guān)鍵元件的典型參數(shù)值分別見(jiàn)表1和表2,所列數(shù)據(jù)可供設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源時(shí)參考。表中，LP、LP0分別為高頻變壓器初級(jí)電感量和初級(jí)漏感量，f0是次級(jí)開(kāi)路時(shí)高頻變壓器的諧振頻率，ZP、ZS依次為初級(jí)和次級(jí)繞組的交流阻抗，PL為磁芯的功率損耗。