TOPSwitch器件在电源中的应用

2006-05-07 15:49:50来源: 电源技术应用

1 引言

MOSFET功率开关、PWM控制器和高频功率变压器是开关电源必不可少的组成部分。其中,特别是PWM控制器和变压器的设计是开关电源设计的关键。

传统开关电源设计一般均采用分立的MOSFET功率开关和多引脚的PWM集成控制器,电路的结构非常复杂,系统的稳定性不够理想,分立的MOSFET功率开关对开关电源的效率亦有限制。为了解决传统开关电源设计面临的这些难题,90年代以来,出现了将开关电源中最重要的两个部分——PWM集成电路和MOSFET功率开关,集成在同一块芯片上,构成PWM/MOSFET二合一集成芯片的趋势,二合一集成控制芯片的问世,降低了开关电源设计的复杂性,减少了开关电源设计所需的时间,从而大大加快了产品进入市场的速度。

二合一集成控制芯片多采用3脚、4脚、5脚、7脚和8脚封装,交流输入电压为世界各国均可通用的(85~265)V或(90~270)V,开关频率为(30~220)kHz,输出功率从10W到200W,可在充电器、VCR、打印机、适配器、转接器、卫星接收器、个人电脑、监视器和彩电等设备的开关电源中广泛应用,美国功率集成公司(PowerIntegrationsInc.)于九十年代中期研制推出的三端脱线式TOPSwitch系列二合一集成控制器件,大多采用3脚的TO220封装,其引脚数目是目前同类产品中最少的,因而是该类器件的代表性产品。

2 TOPSwitch器件简介

TOPSwitch系列器件是三端脱线式PWM开关(ThreeterminalOfflinePWMSwtich)的英文缩写。TOPSwitch系列器件主要包括下列型号:TOP100~TOP104,TOP200~TOP204/TOP214,TOP209/TOP210。

TOPSwitch系列器件仅用了三个管脚就将脱线式开关电源所必需的具有通态可控栅极驱动电路的高压N沟道功率的MOS场效应管,电压型PWM控制器,100kHz高频振荡器,高压起动偏置电路,带隙基准,用于环路补偿的并联偏置调整器以及误差放大器和故障保护等功能全部组合在一起了。采用TOPSwitch器件的开关电源与采用分立的MOSFET功率开关及PWM集成控制器的开关电源相比,具有以下特点:

(1)成本低廉。使用TOPSwitch器件,可减少20~50个元器件,使产品的大小和重量减少50%;TOPSwitch因采用了源极调节板和可控的MOSFET通态驱动,故电磁干扰(EMI)和EMI滤波器的成本可明显降低;

(2)系统效率高。TOPSwitch系采用CMOS工艺制作,并在芯片中集成了尽可能多的功能,故与采用二极管或分立的功率开关电路相比,偏置电流显著降低;开关电源所需的功能集成于芯片中后,外部的电流传感电阻和初始起动偏压电流的电路均可除去,系统效率大大提高。特别是TOPSwitch器件专门针对反激式功率变换电路进行了优化,使最大值占空比可达70%,TOP100~TOP104,TOP200~TOP204/TOP214的效率可达90%,TOP209/TOP210的效率也可超过80%;

(3)电源设计简化。TOPSwitch器件在3脚的TO220封装中集成了PWM控制器和高压MOSFET功率开关,只需外接一个电容就能实现补偿、旁路、起动和自动重起功能。另外,美国功率集成公司还为TOPSwitch器件提供了许多标准设计的电路板,使应用TOPSwitch的设计更为方便,极大地缩短了产品开发至进入市场所需的时间;

(4)应用灵活性高。TOPSwitch器件支持降压型、升压型、正激式和反激式功率变换电路,并且很容易和光耦及变压器初级的反馈电路结合,无论在连续传导模式和不连续传导模式下均可工作;

(5)功能完善的系统级故障保护。TOPSwitch具有自动重起和逐周电流限制功能,故可对功率变压器初级和次级电路的故障进行保护。TOPSwitch还具有在片热关闭选通功能,可在电路超负荷时有效地保护电源。

一般,TOP100~TOP104主要应用于输入电压为100V或110VAC,功率在(0~60)W范围内的开关电源或功率在(0~110)W范围内采用功率因数校正(PFC)的开关电源。同样适用于功率在(0~25)W范围内的无线通信、有线通信以及其他DC/DC变换的应用。

TOP200~TOP204/TOP214则适于输入电压为100V,110V或230VAC,功率在(0~100)W范围内的开关电源〔如在三种输入电压下均能工作,则功率限制在(0~50)W范围内〕,或输入为230V或277VAC,功率在(0~150)W范围内采用功率因数校正的开关电源。

由于TOP100~TOP104采用的是350V的MOSFET,TOP200~TOP204/TOP214采用的是700V的MOSFET,故后者能在输入电压更高、系统功率更大的应用中使用。两组器件的内部结构完全相同,均如图1所示。

TOP100~TOP104和TOP200~TOP204/TOP214采用图2(a)所示3脚的TO220封装,管脚定义如下:漏极——连接内部MOSFET的漏极,在起动时,通过内部高压开关电流源提供内部偏置电流。

源极——连接内部MOSFET的源极,是初级电路的公共点,电源回流和基准点。

控制极——误差放大电路和反馈电流的输入端。在正常工作时,由内部并联调整器提供内部偏流。系统关闭时,可激发输入电流,同时也是提供旁路、自动重起和补偿功能的电容连接点。

值得注意的是,TOP209/TOP210还特别为小功率备用电源应用作了优化,弥补了TOPSwitch系列在这一类应用中的不足。应用TOP209可以设计出性价比更高的开关电源,可为绿色或节能产品,如个人电脑、监视器、UPS、复印机、传真机提供备用电源,还可在诸如电视、家用电器、工业控制器和个人电脑等产品中应用。

TOP209/TOP210内部结构和TOP100~TOP104和TOP200~TOP204/TOP214的内部结构相比只有细微的差别。不过,TOP209/TOP210采用的是8脚DIP封装方式,如图2(b)所示。

1997年,美国功率集成公司又推出了TOPSwitchⅡ系列器件。TOPSwitchⅡ系列器件同TOPSwitch系列器件相比,内电路作了许多改进,器件对于电路板布局以及输入总线瞬变的敏感性大大减少,故设计更为方便,性能又有了增强,性能价格比更高。与TOPSwitch系列器件相比,TOPSwitchⅡ系列器件在输入电压为100V、115V或230VAC时,系统功率从(0~100)W提高到(0~150)W,在三种电压下均可工作时,系统的功率从(0~50)W提高到(0~90)W,从而使得TOPSwitchⅡ器件可在如电视、监视器以及音频放大器等许多新的应用范围内使用。

TOPSwitchⅡ系列器件包括TOP221~TOP227,其内部结构如图3所示。美国功率集成公司为TOPSwitchⅡ器件提供了多种封装方式,其中8脚的PDIP封装方式内部的引线框,可使用6个管脚将热量直接从芯片传送到电路板上,从而节省了使用散热器的成本。

3 TOPSwitch器件在不同功率变换拓扑结构中的应用

TOPSwitch系列器件可在降压型、升压型、正激和反激式功率变换电路中使用。

3.1 降压型(BUCK)功率变换电路

TOPSwitch器件在降压型功率变换电路中的使用如图4(a)所示。降压型功率变换电路是最简单的PWM型DC/DC功率变换电路,动态特性较好。但是,降压型功率变换电路的缺点是输入电流为脉动的,极易产生电磁干扰;稳态电压比小于1,故只能降压不能升压,且只能提供单个输出,不能提供多路输出。

3.2 升压型(BOOST)功率变换电路

TOPSwitch器件在升压型功率变换电路中的使用如图4(b)所示。同降压型功率变换电路相比,升压型功率变换电路输入电流是连续的,输入源的电磁干扰减轻了。但是升压型功率变换电路输出侧电流是脉动的,输出纹波较大;升压型功率变换电路只能升压而不能降压;同样只能提供单个输出,不能提供多路输出。

3.3 正激式(FORWARD)功率变换电路

TOPSwitch系列器件在正激式功率变换电路中的应用如图4(c)所示。正激式功率变换电路是具有直流隔离的降压型功率变换电路。由于加入了变压器,正激式功率变换电路不但实现了输入和输出的直流隔离,而且不再受降压型功率变换电路输出电压小于输入电压的限制,并可提供多路电压输出。

3.4 反激式(FEEDBACK)功率变换电路

TOPSwitch系列器件在反激式功率变换电路中的应用如图4(d)所示。反激式功率变换电路同样具有直流隔离功能。反激式功率变换电路中的变压器,除了起隔离作用之外,还具有储能的功能。理想情况下,初级和次级线圈中不会同时有电流存在。反激式功率变换电路输出电压不受输入电压的限制,亦可提供多路电压输出。

在设计脱线、隔离式开关电源时,图4(d)所示反激式功率变换电路相对而言是一个最优的选择。

出于安全性的考虑,脱线式功率变换电路一定要用变压器将初、次级相互隔离。此外,大多数功率变换电路还需要电感来存储能量并作为输出脉宽调制波形的低通滤波器。反激式功率变换电路则不需要额外的电感,因为电路中的变压器可同时实现直流隔离、能量存储和电压转换的功能,所以相对于其他隔离式功率变换电路,反激式变换电路的元器件数目,特别是磁性元件的数目最少,在小功率应用中,成本低廉,颇具吸引力。不过,当功率达到100W,输出电流接近10A后,电路元器件所承受应力的增大,使成本迅速增加,系统总成本可能会高于其他电路拓扑结构。

若在反激式功率变换电路的变压器上增加“反馈”线圈,则可直接得到与输出电压成正比的反馈电压。这表示在初级电路中即可实现对次级电路的控制,不需要在初级电路和次级电路中使用光电耦合器或其他隔离的控制设备。反激功率变换电路中的变压器,从严格意义上讲只是相互耦合的电感。由于耦合电感直接牵涉到电、磁能量的转换,所以磁性元件和磁路的设计,特别是变压器的设计十分复杂。美国功率集成公司针对反激式功率变换电路对TOPSwitch器件进行了优化,并提供了EXCEL电子表格来设计反激式开关电源开发软件,下一节介绍的就是应用EXCEL电子表格来设计反激式开关电源的实例。

4 应用EXCEL电子有格来设计反激式开关电源

应用EXCEL电子表格设计反激式开关电源是美国功率集成公司为引导设计师按给定系统的要求和规格,采用TOPSwitch系列器件求得满意结果的电源设计而提出的一种方案。

脱线式开关电源设计,涉及电子工程领域的许多内容:模拟和数字电路、二极管和MOS功率器件的特性、磁学、热的考虑、安全要求、控制环路的稳定性等等,因此,设计开关电路需要考虑大量相互之间关系复杂的设计变量。然而,由于TOPSwitch的高度集成性,许多设计问题已在芯片之内得到了解决。芯片外部需解决问题极少,系统设计时所需考虑的变量数目大大减少。加上TOPSwitch内建环路稳定性很高,所以,不但开关电源的设计简化了,而且使得程序化设计成为可能。

开关电源的设计过程,本质上就是对系统变量进行反复计算和调整,使系统最优化的过程。而在反激式功率变换电路中,需要反复计算的公式相对来说不太复杂。如果使用电子数据表格,那么设计一个简单的开关电源的时间可缩短到10分钟。

表1是美国功率集成公司提供的可在个人电脑(PC)上的EXCEL程序中运行的电子数据表格。运用该电子表格,反激式开关电源设计所需计算的公式全部可由计算机来完成,具体步骤如下:

(1)根据应用的要求和所使用的变压器,选择TOPSwitch器件以及所采用的电路(可从四种电路中任选一种,本例为反激式)。

(2)确定输入变量的估计值,将其填入电子表格,得到中间参数和输出参数的值。

(3)改变输入变量值反复进行计算,直到所选择的输出参数值满足要求。

表中的B列填入输入变量的值,C列和D列显示中间参数和输出参数的值,最终的输出参数的值在D列。其中Krp是美国功率集成公司引入的一个新变量,定义为初级电路的电流纹波和电流峰值的比值,用来描述TOPSwitch漏极电流波形,以简化计算。

表1 TOPSwitch反激式开关电源设计电子表格

A B C D E

F

  输入   输出    
输入应用变量值
VACmin 90     V 最小输入交流电压
VACmin 265     V 最大输入交流电压
fL 50     Hz 交流总线频率
fs 100000     Hz TOPSwitch切换频率
Vo 15     V 输出电压
Po 5     W 输出功率
η 0.8       桥臂估计效率
Z 0.5       损耗分配因子
VB 12     V 偏置电压
tc 3     ms 桥臂估计导通时间
CIN 22     μF 输入滤波电容
输入TOPSwitch变量
VOR 135     V 输出反射电压
ILIMITmax 0.276     A 据TOPSwitch数据卡
VDS 10     V TOPSwitch通态漏-源电压
VD 0.7     V 输出二极管正向压降
VDB 0.7     V 偏置二极管正向压降
Krp 1.00       纹波与峰值电流比值(0.4
输入就压器铁芯结构变量
  EE19       铁芯类型
AE 0.23     cm2 铁芯有效载面积
LE 3.94     cm 无气隙铁芯有效电感 
AL 1250 nH/T2 无气隙铁芯有效电感
BW 9.1     mm 线架物理绕组宽度
M 0     mm 安全容限宽度
(实、次级漏电距离之半)
L 2       初级层数
Ns 10       次级匝数
直流电压参数
Vmin   111 V 最小直流输入电压
Vmax     375 V 最大直流输入电压
电流波形参数
Dmax     0.57   最小直流输入电压时的空比
IAVG     0.06 A 初级平均电流
IP     0.20 A 初级峰值电流
IR     0.09 A 初级均根电流
IRMS 0.09 A 初级均方根极电流
变压器初级设计参数
Lp     2891 μH 初级电感
Np     86   初级绕组匝数
Nb     8   偏置绕组匝数
ALG   391   nH/T2 加气隙铁心扔效感
BM   2883 Gs Po,Vmin时的通密度
Bp     4.34 Gs 峰值磁通密度(Bp<4200)
BAC   1442   Gs 铁芯损耗曲线的交流通密度(峰-峰值0.5倍)
μr   1704     无气隙铁芯相对磁导率
Lg     0.05 mm 气隙长率(Lg>>0.051mm)
BWE   18.2   mm 线框有效宽度
OD     0.21 mm 初级最大线径(包括绝缘层)
INS   0.04   mm 总绝缘估计厚度(=2*film thickness)
DIA   0.17 mm 裸线直径
AWG     34 AWG 初级线规
CM   40   Cmils 裸线有效面积(圆密尔)
CMA     468 Cmils/A 初级导载流量
变压器次级设计参数
Isp   1.70 A 次级峰值电流
ISRMS     0.64 A 次级RMS电流
Io     0.33 A 电源输出电流
IRIPPLE     0.55 A 输出电容的RMS纹波电流
CMS   299   Cmils 次级裸线最圆密尔
AWGS     25 AWG 次级线规
DIAS     0.91 mm 次级裸线最小直径
ODS   0.23   mm 次级最绝缘壁厚
电压应力参数
VDRAIN   678 V 估计最大漏极电压(漏感效应)
PIVS     59 V 输出整流器最大峰值反向电压
PIVB     47 V 偏置整流器最大峰值反向电压
附加输出
Vx 12     V 辅助输出电压
VDX 0.7     V 辅助二极管正向压降
Nx     8.09   辅助绕组匝数
PIVX     47 V 辅助整流器最峰值反向电压

对于特定的应用和变压器,表中23个变量中的20个反复计算时是保持不变的。只有次级线圈圈数的Ns,电流纹波和峰值的比值Krp和初级绕组层数L三个变量在重复过程中需要改变取值。

所有参数在重复计算时,需要对最大磁通量密度Bm,气隙长度Lg,初级载流量CMA三个参数进行检查,判断取值是否满足要求。至于其他的参数,则是中间值或者是最终结果,供选择或制造元器件的时候使用。

应用电子表格进行设计时,不断改变Ns,Krp,L的值进行重复计算,最后当Bm,Lg,CMA均满足要求时,一个基本的TOPSwitch反激式变压器的设计就完成了。按此设计出的电源一般可以正常工作,在电源输入电压达到最小值时,功率传输比可达最大值。

5 结语

三端脱线式PWM开关TOPSwitch系列器件,将MOSFET功率开关和PWM控制器集成在一块芯片中,简化了脱线式PWM开关电源电路的拓扑结构,使得开关电源的效率和稳定性大幅度提高,同时大大降低了开关电源的成本、体积、重量。这里特别要指出的是,美国功率集成公司所提供的电源设计程序——EXCEL电子表格,更是极大地简化了开关电源的设计过程。

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/power/200605/2219.html
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