TOPSwitch-

TOPSwitch-簡介

　　美國功率集成公司（PI公司）在1994年推出第一代TOP Switch芯片，1997年，美國功率集成公司又推出了TOP SwitchⅡ系列器件。TOP SwitchⅡ系列器件和TOP Switch系列器件相比，內電路作了許多改進，器件對于電路板布局以及輸入總線瞬變的敏感性大大減少，故設計更為方便，性能又有了增強，性能價格比更高。與TOP Switch系列器件相比，TOP SwitchⅡ系列器件在輸入電壓為100V、115V或230VAC時，系統(tǒng)功率從（0～100）W提高到（0～150）W，在三種電壓下均可工作時，系統(tǒng)的功率從（0～50）W提高到（0～90）W，從而使得TOP SwitchⅡ器件可在如電視、監(jiān)視器以及音頻放大器等許多新的應用范圍內使用。1998年推出綠色、低價的Tiny Switch和TOP Switch-FX開關電源IC系列，它為設計高度集成的電源提供了更大的靈活性，采用的Eco Smart節(jié)能技術可以幫助工程師生產(chǎn)出符合環(huán)保要求的更加“綠色”的電子產(chǎn)品。器件輸出功率最高達75W，可廣泛應用于手機充電器、PC待機電源、機頂盒、DVD和LCD顯示器等不同領域。2000年11月最新推出TOP Switch-GX系列高壓AC/DC轉換芯片，把最大輸出功率提高到250W，具有更高的開關頻率，在輕負載時能線性縮減頻率以降低待機功耗；更寬的占空比；并且，通過增加3個引腳，使用戶具有更多可配置的功能（如限流調整、欠壓檢測、過壓關斷、電壓前饋、兩種可選頻率及遠程On/Off等）。

TOPSwitch-百科

　　美國功率集成公司（PI公司）在1994年推出第一代TOP Switch芯片，1997年，美國功率集成公司又推出了TOP SwitchⅡ系列器件。TOP SwitchⅡ系列器件和TOP Switch系列器件相比，內電路作了許多改進，器件對于電路板布局以及輸入總線瞬變的敏感性大大減少，故設計更為方便，性能又有了增強，性能價格比更高。與TOP Switch系列器件相比，TOP SwitchⅡ系列器件在輸入電壓為100V、115V或230VAC時，系統(tǒng)功率從（0～100）W提高到（0～150）W，在三種電壓下均可工作時，系統(tǒng)的功率從（0～50）W提高到（0～90）W，從而使得TOP SwitchⅡ器件可在如電視、監(jiān)視器以及音頻放大器等許多新的應用范圍內使用。1998年推出綠色、低價的Tiny Switch和TOP Switch-FX開關電源IC系列，它為設計高度集成的電源提供了更大的靈活性，采用的Eco Smart節(jié)能技術可以幫助工程師生產(chǎn)出符合環(huán)保要求的更加“綠色”的電子產(chǎn)品。器件輸出功率最高達75W，可廣泛應用于手機充電器、PC待機電源、機頂盒、DVD和LCD顯示器等不同領域。2000年11月最新推出TOP Switch-GX系列高壓AC/DC轉換芯片，把最大輸出功率提高到250W，具有更高的開關頻率，在輕負載時能線性縮減頻率以降低待機功耗；更寬的占空比；并且，通過增加3個引腳，使用戶具有更多可配置的功能（如限流調整、欠壓檢測、過壓關斷、電壓前饋、兩種可選頻率及遠程On/Off等）。

　　TOP Switch 主要用于AC/DC 轉換器，具有體積小，重量輕，寬輸入范圍（85V-265V），提供了PI Expert專家系統(tǒng)設計軟件，便于用戶更快地設計出自已的產(chǎn)品。

　　采用TOP Switch器件的開關電源與采用分立的MOSFET功率開關及PWM集成控制器的開關電源相比，具有以下特點：

　　1、成本低廉。使用TOP Switch器件，比用其他開關電源節(jié)省很多個元器件，從而使產(chǎn)品的大小和重量減少；TOP Switch因采用了源極調節(jié)板和可控的MOSFET通態(tài)驅動，故電磁干擾（EMI）和EMI濾波器的成本可明顯降低；

　　2、系統(tǒng)效率高。TOP Switch系采用CMOS工藝制作，并在芯片中集成了盡可能多的功能，故與采用二極管或分立的功率開關電路相比，偏置電流顯著降低；開關電源所需的功能集成于芯片中后，外部的電流傳感電阻和初始起動偏壓電流的電路均可除去，系統(tǒng)效率大大提高。特別是TOP Switch器件專門針對反激式功率變換電路進行了優(yōu)化，使最大值占空比可達70%，TOP100～TOP104，TOP200～TOP204/TOP214的效率可達90%，TOP209/TOP210的效率也可超過80%；電源設計簡化。

　　TOP Switch器件在3腳的TOP220封裝中集成了PWM控制器和高壓MOSFET功率開關，只需外接一個電容就能實現(xiàn)補償、旁路、起動和自動重起功能。另外，有許多專門為TOP Switch器件而標準設計的電路板，使應用TOP Switch的設計更為方便，極大地縮短了產(chǎn)品開發(fā)至進入市場所需的時間；應用靈活性高。TOP Switch器件支持降壓型、升壓型、正激式和反激式功率變換電路，并且很容易和光耦及變壓器初級的反饋電路結合，無論在連續(xù)傳導模式和不連續(xù)傳導模式下均可工作；功能完善的系統(tǒng)級故障保護。TOP Switch具有自動重起和逐周電流限制功能，故可對功率變壓器初級和次級電路的故障進行保護。TOP Switch還具有在片熱關閉選通功能，可在電路超負荷時有效地保護電源。

　　對于小功率的開關電源的設計，TOP Switch系列芯片以其電路簡捷，體積小，重量輕，自保護功能齊全，設計方便等優(yōu)點在該領域的應用上有很大的優(yōu)勢。

　　TOP Switch系列產(chǎn)品的主要特點：

　　1、TOP Switch-I系列

　　一般，TOP100～TOP104主要應用于輸入電壓為100V或110VAC，功率在（0～60）W范圍內的開關電源或功率在（0～110）W范圍內采用功率因數(shù)校正（PFC）的開關電源。同樣適用于功率在（0～25）W范圍內的無線通信、有線通信以及其他DC/DC變換的應用。

　　TOP200～TOP204/TOP214則適于輸入電壓為100V，110V或230VAC，功率在（0～100）W范圍內的開關電源〔如在三種輸入電壓下均能工作，則功率限制在（0～50）W范圍內〕，或輸入為230V或277VAC，功率在（0～150）W范圍內采用功率因數(shù)校正的開關電源。

　　2、TOP Switch-Ⅱ系列

　　根據(jù)封裝形式，TOPSwitch-II系列產(chǎn)品可劃分成三種類型：TOP221Y~227Y（TO-220封裝），TOP221P~224P（DIP-8封裝），TOP221G~224G（SMD-8封裝），產(chǎn)品分類詳見表1.4.2。

　　TOPSwitch-II的性能特點：

　　1）TOPSwitch-II內部包括振蕩器、誤差放大器、脈寬調制器、門電路、高壓功率開關管（MOSFET）、偏置電路、過流保護電路、過熱保護及上電復位電路、關斷／自動重啟動電路。它通過高頻變壓器使輸出端與電網(wǎng)完全隔離，使用安全可靠。它屬于漏極開路輸出的電流控制型開關電源。由于采用CMOS電路，使器件功耗顯著降低。

　　2）只有三個引出端：控制端C、源極S、漏極D，可同三端線性穩(wěn)壓器相媲美，能以最簡方式構成無工頻變壓器的反激式開關電源。為完成多種控制、偏置及保護功能，C、D均屬多功能引出端，實現(xiàn)了一腳多用。以控制端為例，它具有三項功能：①該端電壓VC為片內并聯(lián)調整器和門驅動級提供偏壓；②該端電流IC能調節(jié)占空比；③該端還作為電源支路與自動重啟動／補償電容的連接點，通過外接旁路電容來決定自動重啟動的頻率，并對控制回路進行補償。

　　3）輸入交流電壓的范圍極寬。作固定電壓輸入時可選220V±15%交流電，若配85~265V寬范圍變化的交流電，最大輸出功率要降低40%。開關電源的輸入頻率范圍是47~440Hz。

　　4）開關頻率典型值為100KHz，占空比調節(jié)范圍是1.7%～67%。電源效率為80%左右，最高可達90%，比線性集成穩(wěn)壓電源提高近一倍。其工作溫度范圍是0～70℃芯片最高結溫Tjm=135℃。

　　5）TOPSwitch-II的基本工作原理是利用C控制端的反饋電流IC來調節(jié)占空比，達到穩(wěn)壓目的。

　　6）外圍電路簡單，成本低廉。外部僅需接整流濾波器、高頻變壓器、初級保護電路、反饋電路和輸出電路。采用此類芯片還能降低開關電源產(chǎn)生的電磁干擾。

　　TOPSwitch-II可廣泛用于儀器儀表、筆記本電腦、移動電話、電視機、VCD和DVD、攝錄像機、電池充電器、功率放大器等領域，并能構成各種小型化、高密度、低成本的開關電源模塊。此外，它還適合構成后備式開關電源，非隔離式開關電源、恒流恒壓輸出開關電源，供無線通信用的DC/DC電源變換器、恒功率調節(jié)器、功率因數(shù)補償器等。

　　TOPSwitch-Ⅱ系列芯片的管腳功能與應用：

　　TOPSwitch-Ⅱ系列芯片有三個管腳，分別是D（3腳）、S（2腳）、C（1腳），其中C為控制腳，用于電壓反饋控制輸入；D為內部MOS管的漏極，也是芯片功率電路輸入端，一般經(jīng)過變壓器初級繞組與供電電源正端相連接；S為內部MOS管的源極，一般接輸入電源的負端。

　　3、TOP Switch–GX系列

　　TOPSwitch-GX更穩(wěn)定，輸出功率相對較大，適用范圍相對較廣，而且具有一些其他芯片沒有的特點。該系列產(chǎn)品除具備TOPSwitch-FX系列的全部優(yōu)點之外，還具備以下新增的主要功能及其優(yōu)點：

　　1）更寬的輸出功率范圍，最大可達290W;

　　2）可減少外圍器件的損耗;

　　3）在極低壓或過壓時能實現(xiàn)完全軟啟動，進一步減小了器件在啟動時的電壓、電流應力；

　　4）外部可編程精確地設定限制電流，減小了變壓器鐵芯體積，提高了電源效率；

　　5）更大的占空比，能提供更大的輸出功率并減小了輸入電容；

　　6）在Y、R、F型式封裝中將電壓檢測管腳與限流管腳分開封裝，提高了設計的靈活性；

　　7）欠壓保護，不會造成誤關斷；

　　8）有過壓保護，可以限制浪涌電流；

　　9）采用線電壓前饋，減小了低壓時的輸出電壓紋波，限制了高壓時的最大占空比（Dmax）；

　　10）有±3％的頻率抖動，減小了電磁干擾（EMI），并降低了EMI濾波器的損耗；

　　11）空載、輕載時可降低工作頻率，使輸出電路無需加假負載，從而顯著地減少了能量損耗；

　　12）高達132kHz的工作頻率，減小了變壓器和電源的體積；

　　13）在視頻應用時可選擇半頻（66kHz）運行（只限于Y、R、F封裝）；

　　14）溫度范圍更寬的滯后熱關斷，允許電源在高溫下輸出更大的功率，并有效地防止裝置過熱。

　　TOPSwitch-GX系列的這些優(yōu)點使其可廣泛地應用于手提電腦、PDA、集線器、交換器、路由器、臺式電腦、小型服務器、機頂盒、數(shù)碼電視、打印機、DVD播放器、UPS、電視游戲機、音頻放大器等裝置中。

　　基于TOPSwitch Ⅱ的開關電源設計

　　功率開關管、pwm控制器和高頻變壓器是開關電源必不可少的組成部分。傳統(tǒng)的開關電源一般均采用分立的高頻功率開關管和多引腳的pwm集成控制器，例如采用uc3842＋mosfet是國內小功率開關電源中較為普及的設計方法。

　　90年代以來，出現(xiàn)了pwm/mosfet二合一集成芯片，他大大降低了開關電源設計的復雜性，減少了開關電源設計所需的時間，從而加快了產(chǎn)品進入市場的速度。

　　二合一集成控制芯片多采用3腳，4腳，5腳，7腳和8腳封裝，其中美國功率集成公司于97年推出的三端脫線式topswitch ⅱ系列二合一集成控制器件，是該類器件的代表性產(chǎn)品。

　　2 topswitch ⅱ器件簡介

　　topswitch系列器件是三端脫線式pwm開關（three－terminal off－line pwm swtich）的英文縮寫。topswitch系列器件僅用了3個管腳就將脫線式開關電源所必需的具有通態(tài)可控柵極驅動電路的高壓n溝道功率的mos場效應管，電壓型pwm控制器，100khz高頻振蕩器，高壓啟動偏置電路，帶隙基準，用于環(huán)路補償?shù)牟⒙?lián)偏置調整器以及誤差放大器和故障保護等功能全部組合在一起了。

　　topswitch ⅱ系列器件是topswitch的升級產(chǎn)品，同后者相比，內部電路做了許多改進，器件對于電路板布局以及輸入總線瞬變的敏感性大大減少，故設計更為方便，性能有所增強。其型號包括top221－top227，內部結構如圖1所示［1］。

　　topswitch ⅱ是一個自偏置、自保護的電流－占空比線性控制轉換器。由于采用cmos工藝，轉換效率與采用雙集成電路和分立元件相比，偏置電流大大減少，并省去了用于電流傳導和提供啟動偏置電流的外接電阻。

　　漏極 連接內部mosfet的漏極，在啟動時，通過內部高壓開關電流源提供內部偏置電流。

　　源極 連接內部mosfet的源極，是初級電路的公共點和基準點。

　　控制極 誤差放大電路和反饋電流的輸入端。在正常工作時，由內部并聯(lián)調整器提供內部偏流。系統(tǒng)關閉時，可激發(fā)輸入電流，同時也是提供旁路、自動重啟和補償功能的電容連接點。

　　控制電壓 控制極的電壓vc給控制器和驅動器供電或提供偏壓。接在控制極和源極之間的外部旁路電容ct，為柵極提供驅動電流，并設置自動恢復時間及控制環(huán)路的補償。在正常工作（輸出電壓穩(wěn)定）時，反饋控制電流給vc供電，并聯(lián)穩(wěn)壓器使vc保持在4.7v。在啟動時，控制極的電流由內部接在漏極和控制極之間的高壓開關電流源提供。控制極電容ct放電至閾值電壓以下時，輸出mosfet截止，控制電路處于備用方式。此時高壓電流源接通，并再次給電容ct充電。通過高壓電流源的接通和斷開，使vc保持在4.7－5.7v之間。

　　帶隙基準 topswitch ⅱ內部電壓取自具有溫度補償?shù)膸痘鶞孰妷?。此基準電壓也能產(chǎn)生可微調的溫度補償電流源，用來精確地調節(jié)振蕩器的頻率和mosfet柵極驅動電流。

　　振蕩器 內部振蕩器通過內部電容線性地充電放電，產(chǎn)生脈寬調制器所需的的鋸齒波電壓。為了降低emi并提高電源的效率，振蕩器額定頻率為100khz。

　　脈寬調制器 流入控制極的電流在re兩端產(chǎn)生的壓降，經(jīng)rc電路濾波后，加到pwm比較器的同相輸入端，與振蕩器輸出的鋸齒波電壓比較，產(chǎn)生脈寬調制信號，該信號驅動輸出mosfet實現(xiàn)電壓型控制。正常工作時，內部mosfet輸出脈沖的占空比隨著控制極電流的增加而線性減少，如圖2所示［1］。

　　柵極驅動器 柵極驅動器以一定速率使輸出mosfet導通。為了提高精確度，柵極驅動電流還可以進行微調逐周限流。逐周限流電路用輸出mosfet的導通電阻作為取樣電阻，限流比較器將mosfet導通時的漏源電壓與閾值電壓vilimit進行比較。漏極電流過大時，漏源電壓超過閾值電壓，輸出mosfet關斷，直到下一個周期，輸出mosfet才能導通。

　　誤差放大器 誤差放大器的電壓基準取自溫度補償帶隙基準電壓；誤差放大器的增益則由控制極的動態(tài)阻抗設定。

　　系統(tǒng)關閉/自動重動 為了減少功耗，當超過調整狀態(tài)時，該電路將以5％的占空比接通和關斷電源。

　　過熱保護 當結溫超過熱關斷溫度（135℃）時，模擬電路將關斷輸出mosfet。

　　高壓偏流源 在啟動期間，該電流源從漏極偏置topswitch ⅱ，并對控制極外界電容ct充電。

　　在topswitch ⅱ系列中，top225－top227采用to－220封裝形式，而top221－top224則有to－220和dip－8，smd－8三種封裝形式，如圖3所示［1］?？紤]到dip－8和smd－8的散熱情況，采用這2種封裝形式的器件輸出功能要適當降低。

　　3 topswitch ⅱ應用于反激式功率變換電路

　　在開關電源電路中，基本類型有5種：單端反激式、單端正激式、推挽式、半橋式和全橋式。對于100w以下的開關電源，多采用單端反激式變換器，反激式功率變換電路中的變壓器，除了起隔離作用之外，還具有儲能的功能。反激式功率變換電路結果比較簡單，輸出電壓不受輸入電壓的限制，亦可提供多路電壓輸出。topswitch ⅱ系列應用于單端反激式變換器，典型用法如圖4所示［2］。

　　在圖4中，（a）將偏置線圈通過限流電阻直接作為topswitch ⅱ控制極的輸入；（b）在（a）的基礎上增加了穩(wěn)壓管，是（a）的增強型；（c）中輸出電壓通過光耦作用于topswitch ⅱ控制極，在輸出電壓反饋精度上有所提高；（d）在（c）基礎上增加了精密基準tl431，使得輸出穩(wěn)壓精度和負載調整率都能獲得較高的精度。4種變換電路的效果如表1所示。

　　4 應用實例

　　圖5為輸入電壓為85－265v，輸出為15v的反激式開關電源實際電路。其采用圖4中（d）的反饋電路形式。

　　交流電壓經(jīng)整流橋v2整流和c2濾波后，產(chǎn)生的高壓直流電壓加至變壓器一端，變壓器另一端與top224的漏極相連。r9，c8和v3為緩沖吸收電路，用以吸收top224在關斷過程中由于變壓器漏感引起的電壓尖峰過沖。

　　偏置線圈經(jīng)v7和c2整流濾波后產(chǎn)生top224所需的偏置電壓；c6能夠濾除top224內部mosfet柵極充電電流的峰值，確定重新啟動的頻率，并與r1，r2一起補償控制回路。

　　tlp431并聯(lián)穩(wěn)壓器內部包含2.5v帶隙基準電壓、運算放大器和驅動器，作次級基準誤差放大器用。調節(jié)rp1可對輸出電壓實現(xiàn)微調。當輸出電壓受某種原因發(fā)生波動時，通過tl431等器件組成的反饋電路，改變流過光耦pc817的發(fā)光二極管的電流，從而改變流入top224控制極的電流，調整top224內部mosfet的輸出占空比，使輸出電壓重新穩(wěn)壓。

　　5 結語

　　采用topswitch ⅱ器件的開關電源與采用分立的mosfet功率開關及pwm集成控制器的開關電源相比，具有以下特點：

　?。?）成本低廉

　　topswitch ⅱ采用cmos工藝制作，并在芯片中集成了盡可能多的功能，故與傳統(tǒng)的功率開關電路相比，偏置電流顯著降低；開關電源所需的功能集成于芯片中后，外部的電流傳感電阻和初始啟動偏壓電流的電路均可除去，可大量減少元器件，使產(chǎn)品的成本和體積均大大減少；

　?。?）電源設計簡化

　　topswitch ⅱ器件集成了pwm控制器和高壓mosfet，只需外接一個電容就能實現(xiàn)補償、旁路、啟動和自動重啟功能；

　?。?）功能完善的保護

　　topswitch ⅱ具有自動重啟和逐周電流限制功能，可對功率變壓器初級和次級電路的故障進行保護；其還具有過熱保護和過流保護功能，可在電路過載時有效地保護電源。