基于TOP210的小功率开关稳压电源设计 - 全文

　　1、引言

　　随着电力电子技术的飞速发展，开关直流稳压电源在十几瓦至中大功率范围内得到了广泛的应用。而在十瓦以下的范围，由于其电路复杂，性价比低等原因，通常被线性稳压电源所替代。然而，随着各种设备集成度的提高，线性电源体积大、效率低的缺陷已严重影响了整机的进展。为了解决这一难题，将PWM控制电路与功率开关管集成为一体的TopSwitch系列集成块应运而生，采用其制作开关电源，电路可以与线性稳压电源一样简单，效率却远高于后者，而成本也不会有明显的增加。

　　2、TOP210功能介绍

　　TOP210是美国功率集成公司（POWERINTEGRATIONS）推出的适用于小功率场合的集成功率转换器。它在小功率应用中有很高的性价比，其集成化程度高，电路设计简单，比分立元件电路减少了15个～20个元器件。用其替代线性电源可以使电源的体积和重量大大减小。TOP210具有以下主要优点：

　　（1）耐压700VN沟道小容量MOSFET开关管减小了交流损耗；

　　（2）内置的开启和电流限制减小了直流损耗；

　　（3）MOSFET的导通可控，减小了电磁干扰（EMI），降低了EMI滤波器的费用；

　　（4）CMOS控制器/栅极驱动器的功耗仅有6mW；

　　（5）70％的最大占空比使导通损耗最小；

　　（6）只需1个外部电容器即可完成补偿、旁路、开启/自动重启等功能；

　　（7）过热关闭功能可防止整个系统过载。

　　2.1引脚功能

　　图1为TOP210的两种封装形式,其中图1（a）为DIP8引脚封装，图1（b）为3引脚封装，其引脚功能如下所述。

　　漏极端：是MOSFET漏极输出连接端，在开启工作时，通过一个内部开关高压电流源提供内部偏置电流，同时，也是内部电流检测点。

　　控制端：是控制占空比的误差放大器和反馈电流的输入端。在正常工作时，通过和内部分流调节器连接来提供内部偏置电流，同时用作旁路电源和自动重启/补偿电容器的连接点。

　　源极端：该端与源极相连。

　　2.2电路结构

　　TOP210变换器内部功能框图如图2所示，它由带隙参考、振荡器、脉宽调制器、栅极驱动器、误差放大器、逐个周期电流限制、关闭与自动重启、过热保护、高压偏流源等9部分组成，各部分的功能如下：

　　带隙参考：1个温度补偿的带隙参考基准提供内部电压，该基准也产生1个温度补偿的电流源。可准确地调整振荡器的频率和MOSFET的栅极驱动电流。

　　振荡器：内部振荡器对内部电容器进行线性充电和放电，它在两个电压电平（4.7V和5.7V）之间产生锯齿波。一般频率选择100kHz，可使电磁干扰最小，并使效率最高。微调电流可改进振荡频率精度。

　　脉宽调制器：脉宽调制器输出脉冲的占空比与流入控制端的电流成反比，以此来驱动MOSFET，实现电压闭环控制。Re上的误差信号经过角频率为7kHz的RC网络滤波，滤波后的误差信号和内部振荡器的锯齿波相比较，产生占空比波形。当控制电流上升时，占空比下降。由振荡器产生的时钟信号置位1个寄存器，使MOSFET关断。

　　栅极驱动器：栅极驱动器在1个受控的速率时使MOSFET导通，从而使EMI最小，栅极电流可微调以改进精度。

　　误差放大器：在前级反馈应用场合，分流调节器可完成误差放大器的功能，通过温度补偿的带隙参考基准,精确地获得分流调节器的电压。误差放大器的增益由控制端的动态阻抗设置，控制端将外部电路信号箝位到VC电压值，超过电源电流的控制端电流由分流调节器加以分离，并流过Re作为误差信号。

　　逐个周期的电流限制：将MOSFET导通输出电阻作为逐个周期峰值电流的检测电阻，因而，电流限制比较器把导通状态的漏源电压和门限电压相比较，高的漏极电流使VDS（ON）大于此门限电压，并且使MOSFET关断，直到下1个时钟周期开始。电流限制比较器的门限电压经过温度补偿后，可使峰值电流变化达到最小。在输出级导通之后1个短的时间内，前沿消隐电路将阻止电流限制比较工作，因为前沿消隐时间已被确定，故由初级电容器和次级整流器反向恢复时间引起的电流尖峰不会造成开关脉冲过早地结束。

　　关闭与自动重启：为了减小TOP开关的功耗，在失调情况存在时，关闭/重启电路使电源以5％的占空比导通和截止，此时，丧失调节能力时，阻止外部电流流入控制端。当错误被排除后，恢复调节能力，电源重新正常工作。

　　过热保护：温度保护由1个精密的模拟电路提供，当连接点的温度超过热关闭温度时（典型值为135℃），该电路将使MOSFET关断。。

高压偏流源：该电流源从漏极端对TOP开关提供偏压，并且在开启或滞后工作时，对外部电容器CT充电。电流源以35％的占空比导通或关断，占空比由控制端的充电电流IC和放电电流（ICD1＋ICD2）的比率决定，当MOSFET开通时，此电流源被关断。

　　由图2可见，TOP210变换器是1种具有自偏压和保护功能的变换器，它用线性控制端电流来改变占空比，实现稳压输出。在正常工作时，内部MOSFET占空比输出随着控制端电流的增加而线性的减小。

　　3、反激式小功率开关电源

　　由TOP210组成的低功耗、小功率的反激式开关电源原理电路如图3所示。输入直流Ui由85V～265V的交流经过整流得到。D1、VR1用来箝位由于变压器的漏感引起的尖峰电压，并能衰减漏极振铃电压。次级线圈经D2、C2、L1、C3整流和滤波来产生5V输出电压，输出端的反馈电压由VR2稳压值、光耦的正向压降和R1上的压降三者之和来决定。通过调节变压器匝比，可获得不同的输出电压。同时，R2和VR2为输出提供一个假负载，通过调节占空比达到稳压的假负载，用以提高轻载时的负载调整率。当输出端电压升高时，由于稳压二极管VR2基本不变，光耦输入电流增加，输出三极管c?e间的等效电阻减小，二极管随之导通，控制端电流增加，占空比减小，输出电压降低，实现稳压的目的。偏压线圈经D3、C4整流和滤波，为TOP210提供偏压。C5对内部栅极驱动充电电流尖峰进行滤波，还决定自动重启频率，并且与R1一起对控制环进行补偿。

　　4、结束语

　　以TOP210为核心设计的开关电源，其电压调整率和负载调整率可达0.2％，效率达85％。若同时选用光耦反馈与精密基准电压器件，并合理选择磁芯与气隙，精心设计与制作主功率变压器绕组，可以十分方便地实现高精度稳压电源。