基于TOP210的小功率開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計 - 全文

　　1、引言

　　隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，開關(guān)直流穩(wěn)壓電源在十幾瓦至中大功率范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。而在十瓦以下的范圍，由于其電路復(fù)雜，性價比低等原因，通常被線性穩(wěn)壓電源所替代。然而，隨著各種設(shè)備集成度的提高，線性電源體積大、效率低的缺陷已嚴(yán)重影響了整機的進展。為了解決這一難題，將PWM控制電路與功率開關(guān)管集成為一體的TopSwitch系列集成塊應(yīng)運而生，采用其制作開關(guān)電源，電路可以與線性穩(wěn)壓電源一樣簡單，效率卻遠(yuǎn)高于后者，而成本也不會有明顯的增加。

　　2、TOP210功能介紹

　　TOP210是美國功率集成公司（POWERINTEGRATIONS）推出的適用于小功率場合的集成功率轉(zhuǎn)換器。它在小功率應(yīng)用中有很高的性價比，其集成化程度高，電路設(shè)計簡單，比分立元件電路減少了15個～20個元器件。用其替代線性電源可以使電源的體積和重量大大減小。TOP210具有以下主要優(yōu)點：

　　（1）耐壓700VN溝道小容量MOSFET開關(guān)管減小了交流損耗；

　?。?）內(nèi)置的開啟和電流限制減小了直流損耗；

　　（3）MOSFET的導(dǎo)通可控，減小了電磁干擾（EMI），降低了EMI濾波器的費用；

　　（4）CMOS控制器/柵極驅(qū)動器的功耗僅有6mW；

　?。?）70％的最大占空比使導(dǎo)通損耗最??；

　　（6）只需1個外部電容器即可完成補償、旁路、開啟/自動重啟等功能；

　?。?）過熱關(guān)閉功能可防止整個系統(tǒng)過載。

　　2.1引腳功能

　　圖1為TOP210的兩種封裝形式,其中圖1（a）為DIP8引腳封裝，圖1（b）為3引腳封裝，其引腳功能如下所述。

　　漏極端：是MOSFET漏極輸出連接端，在開啟工作時，通過一個內(nèi)部開關(guān)高壓電流源提供內(nèi)部偏置電流，同時，也是內(nèi)部電流檢測點。

　　控制端：是控制占空比的誤差放大器和反饋電流的輸入端。在正常工作時，通過和內(nèi)部分流調(diào)節(jié)器連接來提供內(nèi)部偏置電流，同時用作旁路電源和自動重啟/補償電容器的連接點。

　　源極端：該端與源極相連。

　　2.2電路結(jié)構(gòu)

　　TOP210變換器內(nèi)部功能框圖如圖2所示，它由帶隙參考、振蕩器、脈寬調(diào)制器、柵極驅(qū)動器、誤差放大器、逐個周期電流限制、關(guān)閉與自動重啟、過熱保護、高壓偏流源等9部分組成，各部分的功能如下：

　　帶隙參考：1個溫度補償?shù)膸秴⒖蓟鶞?zhǔn)提供內(nèi)部電壓，該基準(zhǔn)也產(chǎn)生1個溫度補償?shù)碾娏髟础？蓽?zhǔn)確地調(diào)整振蕩器的頻率和MOSFET的柵極驅(qū)動電流。

　　振蕩器：內(nèi)部振蕩器對內(nèi)部電容器進行線性充電和放電，它在兩個電壓電平（4.7V和5.7V）之間產(chǎn)生鋸齒波。一般頻率選擇100kHz，可使電磁干擾最小，并使效率最高。微調(diào)電流可改進振蕩頻率精度。

　　脈寬調(diào)制器：脈寬調(diào)制器輸出脈沖的占空比與流入控制端的電流成反比，以此來驅(qū)動MOSFET，實現(xiàn)電壓閉環(huán)控制。Re上的誤差信號經(jīng)過角頻率為7kHz的RC網(wǎng)絡(luò)濾波，濾波后的誤差信號和內(nèi)部振蕩器的鋸齒波相比較，產(chǎn)生占空比波形。當(dāng)控制電流上升時，占空比下降。由振蕩器產(chǎn)生的時鐘信號置位1個寄存器，使MOSFET關(guān)斷。

　　柵極驅(qū)動器：柵極驅(qū)動器在1個受控的速率時使MOSFET導(dǎo)通，從而使EMI最小，柵極電流可微調(diào)以改進精度。

　　誤差放大器：在前級反饋應(yīng)用場合，分流調(diào)節(jié)器可完成誤差放大器的功能，通過溫度補償?shù)膸秴⒖蓟鶞?zhǔn),精確地獲得分流調(diào)節(jié)器的電壓。誤差放大器的增益由控制端的動態(tài)阻抗設(shè)置，控制端將外部電路信號箝位到VC電壓值，超過電源電流的控制端電流由分流調(diào)節(jié)器加以分離，并流過Re作為誤差信號。

　　逐個周期的電流限制：將MOSFET導(dǎo)通輸出電阻作為逐個周期峰值電流的檢測電阻，因而，電流限制比較器把導(dǎo)通狀態(tài)的漏源電壓和門限電壓相比較，高的漏極電流使VDS（ON）大于此門限電壓，并且使MOSFET關(guān)斷，直到下1個時鐘周期開始。電流限制比較器的門限電壓經(jīng)過溫度補償后，可使峰值電流變化達到最小。在輸出級導(dǎo)通之后1個短的時間內(nèi)，前沿消隱電路將阻止電流限制比較工作，因為前沿消隱時間已被確定，故由初級電容器和次級整流器反向恢復(fù)時間引起的電流尖峰不會造成開關(guān)脈沖過早地結(jié)束。

　　關(guān)閉與自動重啟：為了減小TOP開關(guān)的功耗，在失調(diào)情況存在時，關(guān)閉/重啟電路使電源以5％的占空比導(dǎo)通和截止，此時，喪失調(diào)節(jié)能力時，阻止外部電流流入控制端。當(dāng)錯誤被排除后，恢復(fù)調(diào)節(jié)能力，電源重新正常工作。

　　過熱保護：溫度保護由1個精密的模擬電路提供，當(dāng)連接點的溫度超過熱關(guān)閉溫度時（典型值為135℃），該電路將使MOSFET關(guān)斷。。

高壓偏流源：該電流源從漏極端對TOP開關(guān)提供偏壓，并且在開啟或滯后工作時，對外部電容器CT充電。電流源以35％的占空比導(dǎo)通或關(guān)斷，占空比由控制端的充電電流IC和放電電流（ICD1＋ICD2）的比率決定，當(dāng)MOSFET開通時，此電流源被關(guān)斷。

　　由圖2可見，TOP210變換器是1種具有自偏壓和保護功能的變換器，它用線性控制端電流來改變占空比，實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。在正常工作時，內(nèi)部MOSFET占空比輸出隨著控制端電流的增加而線性的減小。

　　3、反激式小功率開關(guān)電源

　　由TOP210組成的低功耗、小功率的反激式開關(guān)電源原理電路如圖3所示。輸入直流Ui由85V～265V的交流經(jīng)過整流得到。D1、VR1用來箝位由于變壓器的漏感引起的尖峰電壓，并能衰減漏極振鈴電壓。次級線圈經(jīng)D2、C2、L1、C3整流和濾波來產(chǎn)生5V輸出電壓，輸出端的反饋電壓由VR2穩(wěn)壓值、光耦的正向壓降和R1上的壓降三者之和來決定。通過調(diào)節(jié)變壓器匝比，可獲得不同的輸出電壓。同時，R2和VR2為輸出提供一個假負(fù)載，通過調(diào)節(jié)占空比達到穩(wěn)壓的假負(fù)載，用以提高輕載時的負(fù)載調(diào)整率。當(dāng)輸出端電壓升高時，由于穩(wěn)壓二極管VR2基本不變，光耦輸入電流增加，輸出三極管c?e間的等效電阻減小，二極管隨之導(dǎo)通，控制端電流增加，占空比減小，輸出電壓降低，實現(xiàn)穩(wěn)壓的目的。偏壓線圈經(jīng)D3、C4整流和濾波，為TOP210提供偏壓。C5對內(nèi)部柵極驅(qū)動充電電流尖峰進行濾波，還決定自動重啟頻率，并且與R1一起對控制環(huán)進行補償。

　　4、結(jié)束語

　　以TOP210為核心設(shè)計的開關(guān)電源，其電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率可達0.2％，效率達85％。若同時選用光耦反饋與精密基準(zhǔn)電壓器件，并合理選擇磁芯與氣隙，精心設(shè)計與制作主功率變壓器繞組，可以十分方便地實現(xiàn)高精度穩(wěn)壓電源。
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