TOPSwitch Ⅱ在稳压电源中的应用

　　在进行电路和单片机实验时，实验稳压电源是必需的设备之一，对这类稳压电源，功率容量并不要求很大，但要有多组输出电压，其中最好有一组输出电压能够连续可调，以适应不同场合的需要。市售的实验稳压电源种类很多，但基本上都是采用工频线性稳压方式。其优点是简单、易制造、价格低，缺点是体大笨重和效率低。采用高频开关电源是克服上述缺点的有效途径，但一般的高频开关电源电路复杂，元器件较多，制作成本也会有所提高，所以目前在实验稳压电源中采用高频开关技术的仍不多见。然而采用TOPSwitch等新型器件制作的高频开关电源，电路可以做得和工频线性稳压电源一样简单，性能很优越，效率却远高于后者，而成本也不会有明显的增加。

　　TOPSwitch器件是美国功率集成公司(PowerIntegrationsInc)，于90年代中期推出的新型高频开关电源芯片。它是三端脱线式PWM开关的英文缩写(Three?terminaloff?linePWMSwitch)。它的特点是将高频开关电源中的PWM控制器和MOSFET功率开关管集成在同一芯片上，是一种二合一器件。这大大简化了电源电路，提高了可靠性，使得电源的设计更加简单快捷。TOPSwitch器件有多种封装形式，采用DIP-8和SMD-8封装的，中间4只为空脚，可以将它们接到印刷电路板的铜箔上，将芯片产生的热量直接传到印刷电路板上，不必另设散热器，节省了成本。采用TO220封装的，只有3只管脚，使用起来就和一只大功率三极管一样便利。此外由于PWM控制器和MOSFET功率开关管是在管壳内连接的，连线极短，这就消除了高频辐射现象，改善了电源的电磁兼容性能，减小了器件对电路板布局和输入总线瞬变的要求。TOPSwitch-II是TOPSwitch的改进型号，它将单电压输入时的最大功率100W提高到150W，电磁兼容性也得到增强，该器件具有更高的性能价格比。TOPSwitch-II器件包括TOP225-TOP227等几个型号，主要差别就在于输出功率的不同。TOPSwitch?II器件的内部电路与性能分别见图1和表1所示。

　　图1 TOPSwitch-Ⅱ系列器件内部结构图

　　表1 TOPSwitch-Ⅱ的产品分类及最大输出功率POM

　　2 工作原理

　　该电源电路拓扑为单端反激式，电路原理见图2所示。220V市电经电源噪声滤波器LF后再通过桥式整流器直接整流。电源滤波器的作用一方面是滤除由电网传来的杂波电压，净化输入电源，另一方面也阻止高频开关电源的振荡电压窜入电网，干扰其它电器。现在很多电源设计不重视电源滤波器的选择，一些中小功率的高频开关电源往往不加电源滤波器，这样不仅降低了电源本身的抗干扰能力，影响其工作稳定性，而且也造成对公共电网的污染。市电经整流和电容滤波后，变成308V的直流电压供给TOPSwitch-II器件，TOPSwitch-II构成DC/DC变换器，它将输入的直流高压变成脉宽可调的高频脉冲电压，经高频变压器降压后再进行半波整流和滤波，变成所需要的直流电压输出。R1、C1、VD1组成缓冲吸收电路，吸收功率器件在关断过程中由于变压器漏感产生的电压尖峰过冲，电路的工作频率为100kHz，振荡元件已固化在器件内部，高频变压器的次级有4个绕组，其中的5V/3A绕组N3控制TOPSwitch-II器件的脉宽，即这一组输出电压为PWM稳压，由并联可编程稳压器TL431和光电耦合器PC及分压电阻R7、R8完成取样反馈工作。之所以选择这一绕组进行脉宽控制，是因为它的输出电压低电流大，更能体现出开关电源的优越性。为了实现对光耦的隔离供电，变压器单设了一个辅助绕组N2。±12V/0.5A绕组N4及N5采用集成三端稳压器LM7812和LM7912进行线性稳压，因输出电流不大，功耗较低，散热问题容易解决。次级中还有一个1.25V～30V/1.5A的可调绕组N6，采用了可调三端稳压器LM317进行线性稳压和调压，为了克服线性稳压在低压输出时，功耗大和效率低的缺点，此绕组设置了高、低两个抽头，抽头的变换由继电器自动切换，切换电压设在15V，由TL431取样。当要求输出电压低于15V时，TL431的参考输入端的电压低于2.5V，TL431截止，继电器K不吸合，低压绕组被接通。反之，当要求输出电压高于15V时，TL431的参考输入端的电压高于2.5V，TL431导通，继电器吸合，高压绕组被接通。电压表PV指示输出电压的数值。