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單片開關(guān)電源原理及應(yīng)用
單片開關(guān)電源原理及應(yīng)用
開關(guān)電源自20世紀70年代開始應(yīng)用以來,，涌現(xiàn)出許多功能完備的集成控制電路，使開關(guān)電源電路日益簡化,，工作頻率不斷提高,，效率大大提高,，并為電源小型化提供了廣闊的前景,。三端離線式脈寬調(diào)制單片開關(guān)集成電路TOP(Threeterminaloffline)將PWM控制器與功率開關(guān)MOSFET合二為一封裝在一起，已成為開關(guān)電源IC發(fā)展的主流,。采用TOP開關(guān)集成電路設(shè)計開關(guān)電源,，可使電路大為簡化，體積進一步縮小,，成本也明顯降低,。
二、TOP開關(guān)結(jié)構(gòu)及工作原理
1,、結(jié)構(gòu)
TOP開關(guān)集各種控制功能,、保護功能及耐壓700V的功率開關(guān)MOSFET于一體，采用TO220或8腳DIP封裝,。少數(shù)采用8腳封裝的TOP開關(guān),，除D、C兩引腳外,，其余6腳實際連在一起,，作為S端，故仍系三端器件,。三個引出端分別是漏D,、源S和控制端C。其中,，D是內(nèi)裝MOSFET的漏極,，也是內(nèi)部電流的檢測點，起動操作時,，漏由一個內(nèi)部電流源提供內(nèi)部偏置電流,。控制端C控制輸出占空比,，是誤差放大器和反饋電流的輸入端,。在正常操作時，內(nèi)部的旁路調(diào)整端提供內(nèi)部偏置電流,，且能在輸入異常時,，自動鎖定保護。源S是MOSFET的源極,，同時是TOP開關(guān)及開關(guān)電源初級電路的公共接地點及基準點,。
2、工作原理
TOP包括10部分,，其中Zc為控制端的動態(tài)阻抗,，RE是誤差電壓檢測電阻。RA與CA構(gòu)成截止頻率為7kHz的低通濾波器,。主要特點是：
（1）前沿消隱設(shè)計,，延遲了次級整流二級管反向恢復(fù)產(chǎn)生的尖峰電流沖擊；
（2）自動重起動功能,，以典型值為5%的自動重起動占空比接通和關(guān)斷,；
（3）低電磁干擾性（EMI），TOP系列器件采用了與外殼的源極相連,，使金屬底座及散熱器的dv/dt=0,，從而降低了電壓型控制方式與逐周期峰值電流限制;
（4）電壓型控制方式與逐周期峰值電流限制。
下面簡要敘述一下：
（1）控制電壓源
控制電壓Uc能向并聯(lián)調(diào)整器和門驅(qū)動極提供偏置電壓,，而控制端電流Ic則能調(diào)節(jié)占空比,。控制端的總電容用Ct表示,，由它決定自動重起動的定時,，同時控制環(huán)路的補償，Uc有兩種工作模式,，一種是滯后調(diào)節(jié),，用于起動和過載兩種情況，具有延遲控制作用,；另一種是并聯(lián)調(diào)節(jié),，用于分離誤差信號與控制電路的高壓電流源,。剛起動電路時由D-C極之間的高壓電流源提供控制端電流Ic，以便給控制電路供電并對Ct充電,。
（2）帶隙基準電壓源
帶隙基準電壓源除向內(nèi)部提供各種基準電壓之外,，還產(chǎn)生一個具有溫度補償并可調(diào)整的電流源，以保證精確設(shè)定振蕩器頻率和門極驅(qū)動電流,。
（3）振蕩器
內(nèi)部振蕩電容是在設(shè)定的上,、下閾值UH、UL之間周期性地線性充放電,，以產(chǎn)生脈寬調(diào)制器所需要的鋸齒波（SAW）,，與此同時還產(chǎn)生最大占空比信號(Dmax)和時鐘信號(CLOCK)。為減小電磁干擾,，提高電源效率,，振蕩頻率（即開關(guān)頻率）設(shè)計為100kHz，脈沖波形的占空比設(shè)定為D,。
（4）放大器
誤差放大器的增益由控制端的動態(tài)阻抗Zc來設(shè)定,。Zc的變化范圍是10Ω～20Ω，典型值為15Ω,。誤差放大器將反饋電壓UF與5.7V基準電壓進行比較后,，輸出誤差電流Ir，在RE上形成誤差電壓UR,。
（5）脈寬調(diào)制器（PWM）
脈寬調(diào)制器是一個電壓反饋式控制電路,，它具有兩層含義。第一,、改變控制端電流Ic的大小,，即可調(diào)節(jié)占空比D，實現(xiàn)脈寬調(diào)制,。第二,、誤差電壓UR經(jīng)由RA、CA組成截止頻率為7kHz的低通濾波器,，濾掉開關(guān)噪聲電壓之后,，加至PWM比較器的同相輸入端，再與鋸齒波電壓UJ進行比較,，產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號UB,。
（6）門驅(qū)動級和輸出級
門驅(qū)動級（F）用于驅(qū)動功率開關(guān)管(MOSFET)，使之按一定速率導(dǎo)通,，從而將共模電磁干擾減至最小,。漏源導(dǎo)通電阻與產(chǎn)品型號和芯片結(jié)溫有關(guān)。MOSFET管的漏源擊穿電壓U(bo)ds≥700V。
（7）過流保護電路
過流比較器的反相輸入端接閾值電壓ULIMIT,，同相輸入端接MOSFET管的漏極,。此外，芯片還具有初始輸入電流限制功能,。剛通電時可將整流后的直流限制在0.6A或0.75A,。
（8）過熱保護電路
當芯片結(jié)溫TJ>135℃時，過熱保護電路就輸出高電平,，將觸發(fā)器Ⅱ置位，Q=1,，,，關(guān)斷輸出級。此時進入滯后調(diào)節(jié)模式,，Uc端波形也變成幅度為4.7V～5.7V的鋸齒波,。若要重新起動電路，需斷電后再接通電源開關(guān),；或者將控制端電壓降至3.3V以下,，達到Uc(reset)值，再利用上電復(fù)位電路將觸發(fā)器Ⅱ置零,，使MOSFET恢復(fù)正常工作,。
（9）關(guān)斷/自起動電路
一旦調(diào)節(jié)失控，關(guān)斷/自動重起動電路立即使芯片在5%占空比下工作,，同時切斷從外部流入C端的電流,，Uc再次進入滯后調(diào)節(jié)模式。倘若故障己排除,，Uc又回到并聯(lián)調(diào)節(jié)模式,，自動重新起動電源恢復(fù)正常工作。自動重起動的頻率為1.2Hz,。
（10）高壓電流源
在起動或滯后調(diào)節(jié)模式下,，高壓電流源經(jīng)過電子開關(guān)S1給內(nèi)部電路提供偏置，并且對Ct進行充電,。電源正常工作時S1改接內(nèi)部電源,，將高壓電流源關(guān)斷。
當TOP開關(guān)起動操作時,，在控制端環(huán)路振蕩電路的控制下,，漏有電流流入芯片，提供開環(huán)輸入,。該輸入通過旁路調(diào)整器,、誤差放大器時，由控制端進行閉環(huán)調(diào)整，改變Ir,，經(jīng)由PWM控制MOSFET的輸出占空比,，最后達到動態(tài)平衡。
三,、TOP開關(guān)的典型應(yīng)用
1,、12V/30W小功率開關(guān)電源
12V/30W小功率開關(guān)電源原理圖如圖2所示。該電源特性是：簡單,，直接可與220V交流電源連接,，經(jīng)橋式整流電容濾波后產(chǎn)生300V直流高電壓起動開關(guān)電源工作。并且重量輕,、體積小,，接線簡單外圍元件少。
該電路特點是利用三極管Q1,，二極管D8及電阻R5,、R6組成過低壓保護電路，當輸入電壓降低到一定程度時,，Q1導(dǎo)通,，控制端C電位降低，TOP開關(guān)關(guān)閉,，開關(guān)電源沒有輸出,。
（1）輸入電路
電網(wǎng)交流220V輸入電壓經(jīng)橋式整流、電容濾波后產(chǎn)生300V直流高壓起動開關(guān)電源工作,。
（2）電源變換器部分
在該電路中,，T2為高頻變壓器，其中：N1為初級繞組（35T）,；N2為反饋繞組（15T）,；N3為次級隔離輸出繞組（7T）。
開關(guān)電源工作后,，反饋繞組N2經(jīng)整流,、濾波、限流后送至TOP開關(guān)控制極C,，以調(diào)整TOP開關(guān)內(nèi)部PWM占空比,。當因某種原因如負載變輕引起輸出電壓升高時，N2電壓將升高,，即流入TOP開關(guān)控制端C的電流增加,。在振蕩電路的控制下，漏D有電流流入芯片,，提供開環(huán)輸入,，該輸入通過旁路調(diào)整器,、誤差放大器，由控制端進行閉環(huán)調(diào)整,，經(jīng)由PWM控制MOSFET的輸出占空比,，使其占空比線性減小，從而使輸出電壓下降,，最后達到動態(tài)平衡,，保持輸出穩(wěn)定。電路中并接于初級繞組N1兩端的瞬態(tài)電壓抑制二極管D5,、電容C4及快速二極管D6組成鉗位削峰電路,。鉗制電感放電脈沖的最高電位，減少漏感抗引起的漏電壓畸變,。在實際繞制高頻電源變壓器時,，為了減小漏感的影響，可采用初級與次級相互交叉的繞制方法,。同時，采用自我屏蔽作用較為良好的罐形磁芯,，將線圈都用磁芯封在里邊,。
（3）反饋控制回路
電容C6決定軟起動恢復(fù)時間，C6,、R5,、R4、C5,、D7決定控制回路的零點,。R4阻值過小，限流線性差,，容易導(dǎo)致TOP開關(guān)損壞,；過大則調(diào)整線性差。在實驗中取值為10kΩ
（4）輸出回路
N3,、D10,、C8、D11構(gòu)成輸出回路,。肖特基勢壘整流二極管D10對高頻變壓器次級的高頻方波電壓進行整流,，經(jīng)低ESR值的電解電容濾波及雙向瞬態(tài)電壓抑制二極管D11削峰穩(wěn)壓后，提供給負載電路,。R7既可改善電源本身的輸出阻抗,，又能小幅度地調(diào)整輸出電壓的范圍，同時又可在電源空載時為電容C8提供放電回路,。R7取值為430Ω,。
2、12.5V/25W精密開關(guān)電源
12.5V/25W精密開關(guān)電源原理圖如圖3所示。由TOP204構(gòu)成隔離式＋12.5V,、2A（25W）開關(guān)電源電路,，該電源的特性為：當交流輸入電壓U從85V變化到265V時，電壓調(diào)整率為±0.2%,；當負載電流從10%(0.2A)變化到100%(2A)時,，負載調(diào)整率也達±0.2%，可與線性集成穩(wěn)壓電源相媲美,。該電路的主要特點是利用一片TL431(IC3)與光電耦合器(IC2)構(gòu)成外部誤差放大器,。它再與片內(nèi)誤差放大器配合使用，對控制電流進行精細調(diào)整,，從而大大提高了穩(wěn)壓性能,。
四、結(jié)束語
由于TOP芯片內(nèi)部*集成了SMPS的全部功能,，所以利用它設(shè)計出的開關(guān)電源周期短,，成本低，對于小功率電源,，簡單,，體積小，重量輕,。隨著TOP開關(guān)系列的不斷發(fā)展與改進,，其在開關(guān)電源及其它應(yīng)用領(lǐng)域中必將有著更加燦爛的前景。