TOPSwitch-

TOPSwitch-简介

　　美国功率集成公司（PI公司）在1994年推出第一代TOP Switch芯片，1997年，美国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，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TOP Switch系列器件相比，TOP SwitchⅡ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TOP SwitchⅡ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。1998年推出绿色、低价的Tiny Switch和TOP Switch-FX开关电源IC系列，它为设计高度集成的电源提供了更大的灵活性，采用的Eco Smart节能技术可以帮助工程师生产出符合环保要求的更加“绿色”的电子产品。器件输出功率最高达75W，可广泛应用于手机充电器、PC待机电源、机顶盒、DVD和LCD显示器等不同领域。2000年11月最新推出TOP Switch-GX系列高压AC/DC转换芯片，把最大输出功率提高到250W，具有更高的开关频率，在轻负载时能线性缩减频率以降低待机功耗；更宽的占空比；并且，通过增加3个引脚，使用户具有更多可配置的功能（如限流调整、欠压检测、过压关断、电压前馈、两种可选频率及远程On/Off等）。

TOPSwitch-百科

　　美国功率集成公司（PI公司）在1994年推出第一代TOP Switch芯片，1997年，美国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，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TOP Switch系列器件相比，TOP SwitchⅡ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TOP SwitchⅡ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。1998年推出绿色、低价的Tiny Switch和TOP Switch-FX开关电源IC系列，它为设计高度集成的电源提供了更大的灵活性，采用的Eco Smart节能技术可以帮助工程师生产出符合环保要求的更加“绿色”的电子产品。器件输出功率最高达75W，可广泛应用于手机充电器、PC待机电源、机顶盒、DVD和LCD显示器等不同领域。2000年11月最新推出TOP Switch-GX系列高压AC/DC转换芯片，把最大输出功率提高到250W，具有更高的开关频率，在轻负载时能线性缩减频率以降低待机功耗；更宽的占空比；并且，通过增加3个引脚，使用户具有更多可配置的功能（如限流调整、欠压检测、过压关断、电压前馈、两种可选频率及远程On/Off等）。

　　TOP Switch 主要用于AC/DC 转换器，具有体积小，重量轻，宽输入范围（85V-265V），提供了PI Expert专家系统设计软件，便于用户更快地设计出自已的产品。

　　采用TOP Switch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TOP Switch器件，比用其他开关电源节省很多个元器件，从而使产品的大小和重量减少；TOP Switch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。TOP Switch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TOP Switch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%；电源设计简化。

　　TOP Switch器件在3脚的TOP220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，有许多专门为TOP Switch器件而标准设计的电路板，使应用TOP Switch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；应用灵活性高。TOP Switch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；功能完善的系统级故障保护。TOP Switch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。TOP Switch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。

　　对于小功率的开关电源的设计，TOP Switch系列芯片以其电路简捷，体积小，重量轻，自保护功能齐全，设计方便等优点在该领域的应用上有很大的优势。

　　TOP Switch系列产品的主要特点：

　　1、TOP Switch-I系列

　　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。

　　2、TOP Switch-Ⅱ系列

　　根据封装形式，TOPSwitch-II系列产品可划分成三种类型：TOP221Y~227Y（TO-220封装），TOP221P~224P（DIP-8封装），TOP221G~224G（SMD-8封装），产品分类详见表1.4.2。

　　TOPSwitch-II的性能特点：

　　1）TOPSwitch-II内部包括振荡器、误差放大器、脉宽调制器、门电路、高压功率开关管（MOSFET）、偏置电路、过流保护电路、过热保护及上电复位电路、关断／自动重启动电路。它通过高频变压器使输出端与电网完全隔离，使用安全可靠。它属于漏极开路输出的电流控制型开关电源。由于采用CMOS电路，使器件功耗显著降低。

　　2）只有三个引出端：控制端C、源极S、漏极D，可同三端线性稳压器相媲美，能以最简方式构成无工频变压器的反激式开关电源。为完成多种控制、偏置及保护功能，C、D均属多功能引出端，实现了一脚多用。以控制端为例，它具有三项功能：①该端电压VC为片内并联调整器和门驱动级提供偏压；②该端电流IC能调节占空比；③该端还作为电源支路与自动重启动／补偿电容的连接点，通过外接旁路电容来决定自动重启动的频率，并对控制回路进行补偿。

　　3）输入交流电压的范围极宽。作固定电压输入时可选220V±15%交流电，若配85~265V宽范围变化的交流电，最大输出功率要降低40%。开关电源的输入频率范围是47~440Hz。

　　4）开关频率典型值为100KHz，占空比调节范围是1.7%～67%。电源效率为80%左右，最高可达90%，比线性集成稳压电源提高近一倍。其工作温度范围是0～70℃芯片最高结温Tjm=135℃。

　　5）TOPSwitch-II的基本工作原理是利用C控制端的反馈电流IC来调节占空比，达到稳压目的。

　　6）外围电路简单，成本低廉。外部仅需接整流滤波器、高频变压器、初级保护电路、反馈电路和输出电路。采用此类芯片还能降低开关电源产生的电磁干扰。

　　TOPSwitch-II可广泛用于仪器仪表、笔记本电脑、移动电话、电视机、VCD和DVD、摄录像机、电池充电器、功率放大器等领域，并能构成各种小型化、高密度、低成本的开关电源模块。此外，它还适合构成后备式开关电源，非隔离式开关电源、恒流恒压输出开关电源，供无线通信用的DC/DC电源变换器、恒功率调节器、功率因数补偿器等。

　　TOPSwitch-Ⅱ系列芯片的管脚功能与应用：

　　TOPSwitch-Ⅱ系列芯片有三个管脚，分别是D（3脚）、S（2脚）、C（1脚），其中C为控制脚，用于电压反馈控制输入；D为内部MOS管的漏极，也是芯片功率电路输入端，一般经过变压器初级绕组与供电电源正端相连接；S为内部MOS管的源极，一般接输入电源的负端。

　　3、TOP Switch–GX系列

　　TOPSwitch-GX更稳定，输出功率相对较大，适用范围相对较广，而且具有一些其他芯片没有的特点。该系列产品除具备TOPSwitch-FX系列的全部优点之外，还具备以下新增的主要功能及其优点：

　　1）更宽的输出功率范围，最大可达290W;

　　2）可减少外围器件的损耗;

　　3）在极低压或过压时能实现完全软启动，进一步减小了器件在启动时的电压、电流应力；

　　4）外部可编程精确地设定限制电流，减小了变压器铁芯体积，提高了电源效率；

　　5）更大的占空比，能提供更大的输出功率并减小了输入电容；

　　6）在Y、R、F型式封装中将电压检测管脚与限流管脚分开封装，提高了设计的灵活性；

　　7）欠压保护，不会造成误关断；

　　8）有过压保护，可以限制浪涌电流；

　　9）采用线电压前馈，减小了低压时的输出电压纹波，限制了高压时的最大占空比（Dmax）；

　　10）有±3％的频率抖动，减小了电磁干扰（EMI），并降低了EMI滤波器的损耗；

　　11）空载、轻载时可降低工作频率，使输出电路无需加假负载，从而显著地减少了能量损耗；

　　12）高达132kHz的工作频率，减小了变压器和电源的体积；

　　13）在视频应用时可选择半频（66kHz）运行（只限于Y、R、F封装）；

　　14）温度范围更宽的滞后热关断，允许电源在高温下输出更大的功率，并有效地防止装置过热。

　　TOPSwitch-GX系列的这些优点使其可广泛地应用于手提电脑、PDA、集线器、交换器、路由器、台式电脑、小型服务器、机顶盒、数码电视、打印机、DVD播放器、UPS、电视游戏机、音频放大器等装置中。

　　基于TOPSwitch Ⅱ的开关电源设计

　　功率开关管、pwm控制器和高频变压器是开关电源必不可少的组成部分。传统的开关电源一般均采用分立的高频功率开关管和多引脚的pwm集成控制器，例如采用uc3842＋mosfet是国内小功率开关电源中较为普及的设计方法。

　　90年代以来，出现了pwm/mosfet二合一集成芯片，他大大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，其中美国功率集成公司于97年推出的三端脱线式topswitch ⅱ系列二合一集成控制器件，是该类器件的代表性产品。

　　2 topswitch ⅱ器件简介

　　topswitch系列器件是三端脱线式pwm开关（three－terminal off－line pwm swtich）的英文缩写。topswitch系列器件仅用了3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，高压启动偏置电路，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。

　　topswitch ⅱ系列器件是topswitch的升级产品，同后者相比，内部电路做了许多改进，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，性能有所增强。其型号包括top221－top227，内部结构如图1所示［1］。

　　topswitch ⅱ是一个自偏置、自保护的电流－占空比线性控制转换器。由于采用cmos工艺，转换效率与采用双集成电路和分立元件相比，偏置电流大大减少，并省去了用于电流传导和提供启动偏置电流的外接电阻。

　　漏极 连接内部mosfet的漏极，在启动时，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、自动重启和补偿功能的电容连接点。

　　控制电压 控制极的电压vc给控制器和驱动器供电或提供偏压。接在控制极和源极之间的外部旁路电容ct，为栅极提供驱动电流，并设置自动恢复时间及控制环路的补偿。在正常工作（输出电压稳定）时，反馈控制电流给vc供电，并联稳压器使vc保持在4.7v。在启动时，控制极的电流由内部接在漏极和控制极之间的高压开关电流源提供。控制极电容ct放电至阈值电压以下时，输出mosfet截止，控制电路处于备用方式。此时高压电流源接通，并再次给电容ct充电。通过高压电流源的接通和断开，使vc保持在4.7－5.7v之间。

　　带隙基准 topswitch ⅱ内部电压取自具有温度补偿的带隙基准电压。此基准电压也能产生可微调的温度补偿电流源，用来精确地调节振荡器的频率和mosfet栅极驱动电流。

　　振荡器 内部振荡器通过内部电容线性地充电放电，产生脉宽调制器所需的的锯齿波电压。为了降低emi并提高电源的效率，振荡器额定频率为100khz。

　　脉宽调制器 流入控制极的电流在re两端产生的压降，经rc电路滤波后，加到pwm比较器的同相输入端，与振荡器输出的锯齿波电压比较，产生脉宽调制信号，该信号驱动输出mosfet实现电压型控制。正常工作时，内部mosfet输出脉冲的占空比随着控制极电流的增加而线性减少，如图2所示［1］。

　　栅极驱动器 栅极驱动器以一定速率使输出mosfet导通。为了提高精确度，栅极驱动电流还可以进行微调逐周限流。逐周限流电路用输出mosfet的导通电阻作为取样电阻，限流比较器将mosfet导通时的漏源电压与阈值电压vilimit进行比较。漏极电流过大时，漏源电压超过阈值电压，输出mosfet关断，直到下一个周期，输出mosfet才能导通。

　　误差放大器 误差放大器的电压基准取自温度补偿带隙基准电压；误差放大器的增益则由控制极的动态阻抗设定。

　　系统关闭/自动重动 为了减少功耗，当超过调整状态时，该电路将以5％的占空比接通和关断电源。

　　过热保护 当结温超过热关断温度（135℃）时，模拟电路将关断输出mosfet。

　　高压偏流源 在启动期间，该电流源从漏极偏置topswitch ⅱ，并对控制极外界电容ct充电。

　　在topswitch ⅱ系列中，top225－top227采用to－220封装形式，而top221－top224则有to－220和dip－8，smd－8三种封装形式，如图3所示［1］。考虑到dip－8和smd－8的散热情况，采用这2种封装形式的器件输出功能要适当降低。

　　3 topswitch ⅱ应用于反激式功率变换电路

　　在开关电源电路中，基本类型有5种：单端反激式、单端正激式、推挽式、半桥式和全桥式。对于100w以下的开关电源，多采用单端反激式变换器，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。反激式功率变换电路结果比较简单，输出电压不受输入电压的限制，亦可提供多路电压输出。topswitch ⅱ系列应用于单端反激式变换器，典型用法如图4所示［2］。

　　在图4中，（a）将偏置线圈通过限流电阻直接作为topswitch ⅱ控制极的输入；（b）在（a）的基础上增加了稳压管，是（a）的增强型；（c）中输出电压通过光耦作用于topswitch ⅱ控制极，在输出电压反馈精度上有所提高；（d）在（c）基础上增加了精密基准tl431，使得输出稳压精度和负载调整率都能获得较高的精度。4种变换电路的效果如表1所示。

　　4 应用实例

　　图5为输入电压为85－265v，输出为15v的反激式开关电源实际电路。其采用图4中（d）的反馈电路形式。

　　交流电压经整流桥v2整流和c2滤波后，产生的高压直流电压加至变压器一端，变压器另一端与top224的漏极相连。r9，c8和v3为缓冲吸收电路，用以吸收top224在关断过程中由于变压器漏感引起的电压尖峰过冲。

　　偏置线圈经v7和c2整流滤波后产生top224所需的偏置电压；c6能够滤除top224内部mosfet栅极充电电流的峰值，确定重新启动的频率，并与r1，r2一起补偿控制回路。

　　tlp431并联稳压器内部包含2.5v带隙基准电压、运算放大器和驱动器，作次级基准误差放大器用。调节rp1可对输出电压实现微调。当输出电压受某种原因发生波动时，通过tl431等器件组成的反馈电路，改变流过光耦pc817的发光二极管的电流，从而改变流入top224控制极的电流，调整top224内部mosfet的输出占空比，使输出电压重新稳压。

　　5 结语

　　采用topswitch ⅱ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

　　topswitch ⅱ采用cmos工艺制作，并在芯片中集成了尽可能多的功能，故与传统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启动偏压电流的电路均可除去，可大量减少元器件，使产品的成本和体积均大大减少；

　　（2）电源设计简化

　　topswitch ⅱ器件集成了pwm控制器和高压mosfet，只需外接一个电容就能实现补偿、旁路、启动和自动重启功能；

　　（3）功能完善的保护

　　topswitch ⅱ具有自动重启和逐周电流限制功能，可对功率变压器初级和次级电路的故障进行保护；其还具有过热保护和过流保护功能，可在电路过载时有效地保护电源。