基于TOP224Y的单片开关电源设计 第2页
1.3 12.5V/25W精密开关电源：
12.5V/25W精密开关电源原理图如图2所示。由TOP204构成隔离式＋12.5V、2A（25W）开关电源电路，该电源的特性为：当交流输入电压U从85V变化到265V时，电压调整率为±0.2％；当负载电流从10％(0.2A)变化到100％(2A)时，负载调整率也达±0.2％，可与线性集成稳压电源相媲美。该电路的主要特点是利用一片TL431(IC3)与光电耦合器(IC2)构成外部误差放大器。它再与片内误差放大器配合使用，对控制电流进行精细调整，从而大大提高了稳压性能。
由于TOP芯片内部完全集成了SMPS的全部功能，所以利用它设计出的开关电源周期短，成本低，对于小功率电源，简单，体积小，重量轻。
图2 12.5V/25W精密开关电源原理图
第二章 三端单片开关电源的原理与应用
2.1 基本工作原理
开漏极输出的TOPSwitch芯片是一个自偏置.自动保护的电流一占空比线性控制转换器,控制极电压µ£ 可为控制器和驱动器提供偏置电压或供电.在控制极的源极之间并联一个外部旁路电容即可为接到控制极上所有的电容CT设定关断/自动重启的时间.
启动时, 接在漏极和源极之间的内部高压电流源向控制极充电. 因为可通过控制极外接的电容充电过程来实现电路的软启动.当Uc 达到5.7V时. 内部高压电流源关闭.此时由反馈控制电流向Uc供电. 在正常工作阶段.由外界电路构成电压负反馈控制环.调节输出极MOSFET的占空比以实现稳压.当输出电压升高时. Uc升高.采样电阻RE上的误差电压亦升高"而在与锯齿波比较后.将使输出电压的占空比减小.从而使开关电源的电压减小. 当控制极电压低于4.7V时.MOSFET 管关闭.控制电路处于小电流等待状态.内部高压电流源重新接通并向Uc 充电.其关断/自动重启滞回比较器可使Uc保持在4.7-5.7V之间.图1 所示是其运行波形.其中a图为正常运行波形.b图为自动重启波形.自动重启电路具有一个八分频计数器. 可以阻止输出级MOSFET再次导通. 直到八个放电一充电周期完成为止,因此.在自动重启期间.占空比控制在.5%左右可有效地限制芯片的功耗.
图 1
2.2 典型应用
图2
开关稳压电源. 图2所示，其输入电压范围为36-72VDC在变压器原边并联的VR1和D1为缓冲电路.用以消除变压器原边关断瞬间形成的反向电压.C3-C6与L1组成П型高频滤波器,线性光耦合器PC317 和可调精密并联稳压器TL431为其提供闭环负反馈回路,当+5V电压发生变化时.经电阻R3、Ｒ4. 分压后得到的取样电压与TL431提供的2.5电压进行比较形成的误差电压将使LED的工作电流产生相应的变化.并通过光耦U2改变控制极电流IC的大小. 调节TOPSwitch414的输出占空比可使电源输出电压维持不变.以达到稳压的目的.
第三章 TOP224Y的主要性能特点和工作原理
3.1 性能特点
TOP224Y是TOPSwitch-Ⅱ系列中一种最常用的芯片,其封装形式是TO-220,自带小散热片,是典型的三端集成器件,三个管脚分别为控制端C、源极S、漏极D,其内部功率MOSFET器件的耐压值高达700V,可设计成40W以上仪器仪表的多路隔离式内置控制电源,TOPSwitch-Ⅱ系列产品具有以下显著特点:
(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(MOS2FET)、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)采用漏极开路输出,并利用控制极反馈电流IC来线性调节占空比实现AC/DC变换的,即属于电流控制型单片开关电源。
(3)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85～265V交流电,但输出功率峰值POM要比前者降低40%。
(4)只有三个引出端能以最简方式构成无工频变压器的单端反激式开关电源。开关频率的典型值为100kHz,允许范围是～占空比调节范围是～。
90k110kHz,17%67%
(5)外围电路简单,电磁干扰小,成本低廉。由于芯片本身功耗很低,电源效率可达80%左右,最高可达90%。
3.2 工作原理
TOP224Y的内部框图如图1所示,主要包括10个部分,其中Zc为控制端的动态阻抗，RE是误差电压检测电阻。RA与CA构成截止频率为7kHz的低通滤波器。主要特点是：
（1）前沿消隐设计，延迟了次级整流二级管反向恢复产生的尖峰电流冲击；
（2）自动重起动功能，以典型值为5％的自动重起动占空比接通和关断；
（3）低电磁干扰性（EMI），TOP系列器件采用了与外壳的源极相连，使金属底座及散热器的dv/dt=0，从而降低了电压型控制方式与逐周期峰值电流限制；
（4）电压型控制方式与逐周期峰值电流限制。
下面简要叙述一下：
（1）控制电压源 控制电压Uc能向并联调整器和门驱动极提供偏置电压，而控制端电流Ic则能调节占空比。控制端的总电容用Ct表示，由它决定自动重起动的定时，同时控制环路的补偿，Uc有两种工作模式，一种是滞后调节，用于起动和过载两种情况，具有延迟控制作用；另一种是并联调节，用于分离误差信号与控制电路的高压电流源。刚起动电路时由D-C极之间的高压电流源提供控制端电流Ic，以便给控制电路供电并对Ct充电。
（2）带隙基准电压源 带隙基准电压源除向内部提供各种基准电压之外，还产生一个具有温度补偿并可调整的电流源，以保证精确设定振荡器频率和门极驱动电流。
（3）振荡器 内部振荡电容是在设定的上、下阈值UH、UL之间周期性地线性充放电，以产生脉宽调制器所需要的锯齿波（SAW），与此同时还产生最大占空比信号(Dmax)和时钟信号(CLOCK)。为减小电磁干扰，提高电源效率，振荡频率（即开关频率）设计为100kHz，脉冲波形的占空比设定为D。
（4）放大器 误差放大器的增益由控制端的动态阻抗Zc来设定。Zc的变化范围是10Ω～20Ω，典型值为15Ω。误差放大器将反馈电压UF与5.7V基准电压进行比较后，输出误差电流Ir，在RE上形成误差电压UR。
（5）脉宽调制器（PWM） 脉宽调制器是一个电压反馈式控制电路，它具有两层含义。第一、改变控制端电流Ic的大小，即可调节占空比D，实现脉宽调制。第二、误差电压UR经由RA、CA组成截止频率为7kHz的低通滤波器，滤掉开关噪声电压之后，加至PWM比较器的同相输入端，再与锯齿波电压UJ进行比较，产生脉宽调制信号UB。
（6）门驱动级和输出级 门驱动级（F）用于驱动功率开关管(MOSFET)，使之按一定速率导通，从而将共模电磁干扰减至最小。漏源导通电阻与产品型号和芯片结温有关。MOSFET管的漏源击穿电压U(bo)ds≥700V。
（7）过流保护电路 过流比较器的反相输入端接阈值电压ULIMIT，同相输入端接MOSFET管的漏极。此外，芯片还具有初始输入电流限制功能。刚通电时可将整流后的直流限制在0.6A或0.75A。