新型高功率單片高壓開關(guān)TOP-GX系列穩(wěn)壓電源的研究

摘要：第三代單片高壓開關(guān)TOP-GX系列比第二代單片高壓開關(guān)TOP系列有了較大改進，它不僅使輸出功率擴展到了250W，而且還增加了很多內(nèi)置以及用戶可配置的功能，從而使應(yīng)用可開發(fā)為員可靈活地以最低的系統(tǒng)成本完成優(yōu)化的電源設(shè)計。文中介紹了POWER INTEGRATION公司生產(chǎn)的TOP-GX系列開關(guān)的特點、功能和注意事項，并對其設(shè)計中應(yīng)注意的問題和步驟作了詳細描述。

關(guān)鍵詞：單片開關(guān) 高功率 穩(wěn)壓電源 TOP-GX系列

1 概述

人們對第二代單片高壓開關(guān)TOP系列應(yīng)用于開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計已作為廣泛深入的研究。目前POWER INTEGRATION公司又推出第三代單片高壓開關(guān)TOP-GX系列IC，它除了具有TOP switch IC在單一CMOS芯片上集成了高壓功率MOSFET、PWM控制、故障檢測及其它控制電路外，還在片內(nèi)集成了很多內(nèi)置的以及用戶可配置的功能，因而比第二代單片高壓開關(guān)TOP系列有了較大的改進。第三代單片高壓開關(guān)TOP-GX系列IC的主要特性有：

●輸出功率范圍寬：5～250W（各型號所對應(yīng)的輸出功率如表1所列）；

●集成了多種內(nèi)置功能；

●具有軟啟動功能：可降低開啟時的超調(diào)以及對元器件的沖擊；

●可采用頻率抖動來降低EMI的峰值干擾；

●具有較高的占空比，允許更大功率和使用較小的輸入電容；

●具有零負載調(diào)節(jié)能力，因而輕載時效率很高，另外，其待機時的功耗也非常低；

●具有滯后過熱關(guān)斷功能，可使器件自動進行故障恢復(fù)；

●增設(shè)的用戶可配置引腳可用于檢測電網(wǎng)過、欠電壓以及設(shè)置外部電流限制和選擇兩種開關(guān)頻率（132kHz和66kHz）。具有電網(wǎng)欠壓保護、過壓關(guān)斷，以及電路電壓前饋功能，可降低輸出紋波并在高輸入電壓時最大限度地減小占空比；

●通過外部電流限制引腳可以精確地減小高壓MOSFET電流，從而廉價地實現(xiàn)高效率；

●采用ECOSMART技術(shù)，該技術(shù)在待機及電源無負載條件下可以節(jié)約能源；

●具有遠程ON/OFF功能，可通過遙控方式控制電源的開閉并實現(xiàn)外同步，從而達到降低功耗的目的；

●在低負載時，可自動降低工作頻率。

由于TOP switch-GX系列大功率單片高壓開關(guān)具有以上諸多特點，因此可廣泛用于中功率的開關(guān)穩(wěn)壓電源中。它不僅電路簡單，而且可靠性高，所以在中功率電子設(shè)備系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。

表1 TOP-GX系列開關(guān)IC輸出功率

2 管腳功能

TOP switch-GX系列開關(guān)的管腳排列如圖1所示，該系列有Y型封裝和P、G封裝兩種結(jié)構(gòu)。從圖上看出：對于Y封裝的TOP switch-GX系列開關(guān)，其D、C、S管腳與原TOP switch系列開關(guān)的命名完全一樣，分別為漏極、控制極和源極，而新增加的管腳有L、X和F等，各管腳的功能說明如下：

L：為輸入電壓的欠壓與過壓檢測端，該端同時還具有遠程遙控功能。若在L端與輸入電壓正端接入2MΩ的電阻，那么，其欠壓保護值為：

Vuv=IuvRL=100VDC

過壓保護值為：Vou=IovRL=450VDC

圖2所示為Y封裝器件組成的電網(wǎng)電壓檢測和外部電流設(shè)定電路。

此外，只要在L、C端之間加一個三極管或未免電耦合器也可以實現(xiàn)遠程遙控功能。具體電路如圖3所示。

X：外部電路流定調(diào)整端。在X端與源極之間接入不同的電阻，則開關(guān)電流可限定在不同的數(shù)值。若R1=12kΩ，則流過開關(guān)的電流被設(shè)定為額定值的69%；若R1=6kΩ，則為額定值的90%；也就是說，隨著R1值的增大，開關(guān)允許流過的電流隨之減小。

F：開關(guān)頻率選擇端。當F端接到源極時，其開關(guān)頻率為132kHz，而當F端接到控制端時，其開關(guān)頻率為66kHz。

此外，TOP switch-GX系列開關(guān)也可以當作一般的三端TOP器件使用，只要在使用時將L、X、F端同時與源極相接即可。但此時新增用戶可配置的功能將全部失效。

P、G封裝的TOP switch-GX系列開關(guān)沒有X、F端，但新增有M端，其功能與Y封裝中的L端的功能相同。

3 TOP switch-GX系列開關(guān)穩(wěn)壓電源

現(xiàn)以250W/48V穩(wěn)壓電路的設(shè)計為例，來說明TOP switch-GX系列開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計要求和主要步驟。

3.1 設(shè)計要求

輸入電壓：250V～380V DC；

輸出電壓：48V；

輸出電流：5.2A；

電網(wǎng)調(diào)整率：±1%。

3.2 設(shè)計步驟

根據(jù)上述設(shè)計要求，首先設(shè)計該開關(guān)穩(wěn)壓電源的具體電路。圖4所示是一個250W/48V穩(wěn)壓電源的電路原理圖，其設(shè)計步驟如下：

（1）器件選擇

根據(jù)設(shè)計要求和表1所列的輸出功率，可選擇TOP249Y作為開關(guān)器件。這時TOP249Y將工作在輸出功率的上限，電流設(shè)定在最大值，即將X端直接與源極相連。而過壓值設(shè)定在450VDC，若輸入電壓超過此值，則TOP switch-GX開關(guān)將自行關(guān)斷，直到輸出電壓恢復(fù)正常后，開關(guān)又自行重新啟動。頻率選擇端F也與源極直接相連，此時開關(guān)工作頻率將設(shè)定為132kHz。

（2）脈沖變壓器的設(shè)計要求

因電源的輸出功率較大，故脈沖變壓器的漏感應(yīng)盡可能地小，特別是在低壓大電流的情況下更應(yīng)如此。脈沖變壓器的初、次級繞組應(yīng)相間繞制。即使這樣，脈沖變壓器漏感儲存的能量仍有可能超過瞬態(tài)抑制二極管VR1的功率容量，因此應(yīng)將R2、R3和C2與VR1并聯(lián)，從而使漏感中的能量能夠部分地消耗在R2、R3上，以保證VR1的工作可靠性；同時又可將電壓鉗位在200VDC，這樣可保證TOP switch-GX開關(guān)在電源啟動與過載條件下，使內(nèi)部MOSFET的漏極電壓低于700VDC。

（3）電源次級電路設(shè)計

電源次級整流管在低輸出電壓情況下，一般采用肖特基二極管來減小其損耗。而當輸出電壓較高時，則需要采用快恢復(fù)二極管來完成此項任務(wù)。（可參見圖4中D2）；如果開關(guān)頻率較高，則應(yīng)進一步采用超快恢復(fù)二極管作整流管，以減小其反向電流對初級的影響。

濾波電容C7的容量應(yīng)滿足輸出電壓紋波的要求，L1及C8應(yīng)能有效地濾除開關(guān)所產(chǎn)生的噪聲影響。

反饋調(diào)整電路可采用光耦和穩(wěn)壓二極管組成的固定基準調(diào)整電路，圖4中采用VR2、VR3、VR4三只穩(wěn)壓二極管串聯(lián)作為基準以獲得所需要的48V輸出電壓，R5為光耦的限流電阻，該電阻的使用不影響電路中檢測環(huán)路的增益。由二極管D4和電容C11組成次級緩沖電路，可用于在啟動瞬間檢測光耦的輸出電流，從而改變控制端C的電流以實現(xiàn)預(yù)調(diào)整，從而確保電源在低電網(wǎng)電壓和滿載啟動時達到規(guī)定的調(diào)整值。R7用于為電容C11提供放電通路；C10，R6為檢測環(huán)路的補償電路；D3，C9用來為反饋電路提供電源。

4 設(shè)計中應(yīng)注意的問題

TOP switch-GX系列開關(guān)電源如果設(shè)計合理，一般都比較容易滿足設(shè)計要求；但如果設(shè)計不當，則會出現(xiàn)一些不正常現(xiàn)象。因此，在具體設(shè)計時，應(yīng)注意以下事項：

（1）脈沖變壓器的初級電感值要適當，一般在300μH到3000μH之間。輸出功率較大時應(yīng)取下限；反之則應(yīng)取上限。變壓器的初級電感不能太小，否則會造成TOP switch-GX系列開關(guān)中MOSFET的漏極電流過大而使損耗增加，同時易造成過流保護而使電源難以啟動。同樣，初級電感也不能太大，過大則不能滿足輸出功率的要求。

（2）在選擇輸出濾波電容時，該電容等效串聯(lián)電阻應(yīng)盡可能的小，特別是在低壓大電流的情況下更是如此，否則會由于電容損耗的增大而導(dǎo)致電源可靠性的降低。

（3）反饋光耦輸出端應(yīng)靠近控制端C，控制端C的濾波電容應(yīng)靠近源極；另外多功能端L、X、F或M與源極之間的連接線也應(yīng)盡可能的短，同時還應(yīng)當遠離漏極，以減小電源噪聲。

5 結(jié)論

POWER INTEGRATION公司的第三代TOP switch-GX系列開關(guān)器件增加了許多功能，同時輸出功率也有較大提高。實踐證明，用第三代TOP switch-GX系列開關(guān)器件設(shè)計開關(guān)穩(wěn)壓電源，其電路結(jié)構(gòu)更加簡單，抗干擾性能更好，可靠性更高，因此，在中功率電子設(shè)備中有著更廣泛的應(yīng)用前景。