TOPSwitch?GX系列第四代單片開關電源的原理
TOPSwitch?GX系列是美國PowerIntegrations公司繼TOPSwitch?FX之后，于2000年底新推出的第四代單片開關電源集成電路，并將作為主流產(chǎn)品加以推廣。下面詳細闡述TOPSwitch?GX的性能特點、產(chǎn)品分類和工作原理。
1TOPSwitch?GX的性能特點及產(chǎn)品分類
1.1性能特點
（1）該系列產(chǎn)品除具備TOPSwitch?FX系列的全部優(yōu)點之外，還將最大輸出功率從75W擴展到250W，適合構(gòu)成大、中功率的高效率、隔離式開關電源。
（2）采用TO?220?7C封裝的TOP242～TOP249產(chǎn)品，新增加了線路檢測端（L）和從外部設定極限電流端（X）這兩個引腳，用來代替TOPSwitch?FX的多功能端（M）的全部控制功能，使用更加靈活、方便。
（3）將開關頻率提高到132kHz，這有助于減小高頻變壓器及整個開關電源的體積。
（4）當開關電源的負載很輕時，能自動將開關頻率從132kHz降低到30kHz（半頻模式下則由66kHz降至15kHz），可降低開關損耗，進一步提高電源效率。
（5）采用了被稱作EcoSmart的節(jié)能新技術，顯著降低了在遠程通／斷模式下芯片的功耗，當輸入交流電壓是230V時，芯片功耗僅為160mW。
1.2產(chǎn)品分類
根據(jù)封裝形式和最大連續(xù)輸出功率的不同，TOPSwitch?GX系列可劃分成三大類、共14種型號，詳見表1。型號中的后綴P、G、Y分別表示DIP?8B、SMD?8B、TO?220?7C封裝。
表1TOPSwitch?GX的產(chǎn)品分類及最大連續(xù)輸出功率POM
| 產(chǎn)品型號 | 固定交流輸入（110/115V/230V±15％） | 寬范圍交流輸入（85V～265V） | ||
|---|---|---|---|---|
| 密封式電源模塊 | 敞開式電源 | 密封式電源模塊 | 敞開式電源 | |
| TOP242P/G | 9W | 15W | 6.5W | 10W |
| TOP242Y | 10W | 22W | 7W | 14W |
| TOP243P/G | 13W | 25W | 9W | 15W |
| TOP243Y | 20W | 45W | 15W | 30W |
| TOP244P/G | 16W | 30W | 11W | 20W |
| TOP244Y | 30W | 65W | 20W | 45W |
| TOP245Y | 40W | 85W | 26W | 60W |
| TOP246Y | 60W | 125W | 40W | 90W |
| TOP247Y | 85W | 165W | 55W | 125W |
| TOP248Y | 105W | 205W | 70W | 155W |
| TOP249Y | 120W | 250W | 80W | 180W |
TOPSwitch?GX的引腳排列如圖1所示。其中，TO?220?7C封裝有6個引出端，它們分別是控制端C，線路檢測端L，極限電流設定端X，源極S，開關頻率選擇端F，漏極D。利用線路檢測端（L）可實現(xiàn)四種功能：過壓（OV）保護；欠壓（UV）保護；電壓前饋（當電網(wǎng)電壓過低時用來降低最大占空比）；遠程通／斷（ON／OFF）和同步。而利用極限電流設定端（X），可從外部設定芯片的極限電流。DIP?8B和SMD?8B封裝仍保留多功能端M，并未設置開關頻率選擇端F，故等效于四端器件。其余引腳功能與TOPSwitch?FX相同。
圖1TOPSwitch?GX的引腳排列(a)TO?220?7C封裝(b)DIP?8B和SMD?8B封裝
圖2TOPSwitch?GX的內(nèi)部框圖
3TOPSwitch?GX的工作原理
采用Y封裝的TOPSwitch?GX系列產(chǎn)品，其內(nèi)部框圖如圖2所示。電路主要由18部分組成：
（1）控制電壓源；
（2）帶隙基準電壓源；
（3）頻率抖動振蕩器；
（4）并聯(lián)調(diào)整器／誤差放大器；
（5）脈寬調(diào)制器（含PWM比較器和觸發(fā)器）；
（6）過流保護電路；
（7）門驅(qū)動級和輸出級；
（8）具有滯后特性的過熱保護電路；
（9）關斷／自動重起動電路；
（10）高壓電流源；
（11）軟起動電路；
（12）欠壓比較器；
（13）電流極限比較器；
（14）線路比較器；
（15）線路檢測端和極限電流設定端的內(nèi)部電路；
（16）輕載時自動降低開關頻率的電路；
（17）停止邏輯；
（18）開啟電壓為1V的電壓比較器。
它與TOPSwitch?FX的主要區(qū)別為：新增加了第（16）、（17）、（18）項單元電路；給電流極限調(diào)節(jié)器也增加了軟起動輸出端；將頻率抖動振蕩器產(chǎn)生的開關頻率提升到132kHz（全頻模式）或66kHz（半頻模式）；給頻率抖動振蕩器增加了一個“停止邏輯”（STOPLOGIC）電路，使之工作更為可靠。TOPSwitch?GX的工作原理仍然是利用反饋電流IC來調(diào)節(jié)占空比D，達到穩(wěn)壓目的。舉例說明，當輸出電壓VO降低時，經(jīng)過光耦反饋電路使得IC減小，占空比則增大，輸出電壓隨之升高,最終使VO維持不變。
TOPSwitch?GX與TOPSwitch?FX的性能比較，詳見表2。下面重點闡述TOPSwitch?GX新增功能電路的原理。
3.1輕載時自動降低開關頻率的電路
對TOPSwitch?GX而言，開關頻率及占空比能隨輸出端負載的降低而自動減小。其減小量與控制端流入的電流成反比。當控制端電流逐漸增大時，占空比能線性地減少到10％，但是當負載很輕時，占空比可低于10％。與此同時，開關頻率也減少到最小值，以提高開關電源在輕載下的效率。當開關頻率的正常值（即典型值）為132kHz時，頻率最小值為30kHz，在半頻模式下開關頻率正常值為132kHz／2=66kHz，此時頻率最小值就降至15kHz。該特性能保證開關電源在輕載時，仍保持良好的調(diào)節(jié)功能，并且降低了電源的開關損耗。開關頻率f和占空比D與控制端電流IC的關系如圖3所示。
圖3開關頻率和占空比與控制端電流的關系曲線
(a)f?IC關系曲線(b)D?IC關系曲線
| 功能 | TOPSwitch?FX | TOPSwitch?GX | TOPSwitch?GX |
|---|---|---|---|
| 輕載時的工作方式 | 跳過周期 | 降低開關頻率及占空比 | ·提高輕載下的電源效率·降低空載損耗 |
| Y封裝將線路檢測、外部極限電流設定分成兩個引腳：L，X | 線路檢測及外部極限電流設定合并成一個引腳（M），用戶只能從中選用一種功能 | 能同時實現(xiàn)過壓和欠壓保護、電壓前饋、遙控和外部設定極限電流等多項功能 | ·外部設計更加靈活，允許同時運用各種功能 |
| 極限電流設定范圍 | （40％～100％）ILIMIT | （30％～100％）ILIMIT | ·設定范圍更寬，可設計在連續(xù)模式下，減小高頻變壓器的尺寸 |
| P封裝的極限電流 | 與Y封裝相同 | TOP243P和TOP244P降低了內(nèi)部極限電流偏差的余量 | ·在低電壓時，能減小輸出端的交流紋波電壓·在低功耗下允許工作在更加連續(xù)的模式 |
| Y封裝的極限電流 | 100％ | 90％（與RSD（ON）相同） | ·減小變壓器尺寸·對用戶更加方便 |
| 熱關斷溫度及滯后溫度 | 125℃（滯后溫度為70℃） | 130℃（滯后溫度為75℃） | ·在高溫應用時允許輸出較大的功率 |
| 最大占空比時的開啟電流 | 90μA | 60μA | ·在低電壓時，降低輸出電壓頻率的波動·降低Dmax，優(yōu)化設計 |
| 電網(wǎng)電壓過低時的負向關斷閾值 | —— | 等于正向（開啟）閾值的40％ | ·當電網(wǎng)電壓降低時，能提供精確的關斷閾值電壓 |
| 軟起動時間 | 10ms（僅控制占空比） | 10ms（能同時限制占空比和極限電流） | ·在軟起動時逐漸增加極限電流和占空比，能進一步降低峰值電壓和電流·在起動時可減輕元器件的負擔 |
表2TOPSwitch?GX與TOPSwitch?FX的性能比較
進一步分析可知，開關損耗是由片內(nèi)功率開關管MOSFET的電容損耗和開關交疊損耗這兩部分構(gòu)成的。這里講的電容損耗亦稱CV2f損耗，它是指儲存在MOSFET輸出電容和高頻變壓器分布電容上的電能，要在每個開關周期開始時被泄放掉而產(chǎn)生的損耗。交疊損耗則是由于MOSFET存在開關時間而產(chǎn)生的。在MOSFET的通／斷過程中，有效的電壓和電流同時加到MOSFET上的時間很短，而MOSFET的開關交疊時間較長，這勢必造成功率損耗。單片開關電源內(nèi)部加有很小的米勒（Miller）電容，使得MOSFET的開關速度更快，其交疊損耗僅為分立開關電源的1/10左右，可忽略不計。但是，由TOPSwitch?GX構(gòu)成的開關電源在額定輸出功率下，MOSFET的電容損耗仍占總功耗的7％左右，這是不容忽視的問題。特別當開關電源的負載很輕時，電容損耗在總功耗中所占份額還會進一步增加。因此，輕載時令TOPSwitch?GX處于低頻開關狀態(tài)，這對于降低MOSFET的電容損耗至關重要。
3.2內(nèi)部極限電流與外部可編程極限電流
TOPSwitch?GX的漏極極限電流，既可由內(nèi)部設定，亦可從外部設定。這是它與TOPSwitch?Ⅱ的另一顯著區(qū)別。其內(nèi)部自保護極限電流ILIMIT的最小值、典型值和最大值見表3，測試條件為芯片結(jié)溫TJ=25℃。ILIMIT會隨環(huán)境溫度的升高而增大。TOPSwitch?GX在每個開關周期內(nèi)都要檢測MOSFET漏?源極導通電阻RDS(ON)上的漏極峰值電流ID(PK)。當ID(PK)>ILIMIT時，過流比較器就輸出高電平，依次經(jīng)過觸發(fā)器、主控門和驅(qū)動級，將MOSFET關斷，起到過流保護作用。將TOPSwitch?GX與TOPSwitch?Ⅱ進行比較后不難發(fā)現(xiàn)，TOPSwitch?GX的極限電流容許偏差要小得多。例如TOP223P/Y的容差為1.00±0.1A，相對偏差達(±0.1/1.00)×100％=±10％。而TOP244P/G的容差為1.00±0.07A，相對偏差減小到(±0.07/1.00)×100％=±7％。這表明，用TOP244P/G代替TOP223P/Y來設計開關電源時，由于TOP244P/G不需要留出過多的極限電流余量并且它把最大占空比提高到78％（TOPSwitch?Ⅱ僅為67％），因此在相同的輸入功率／輸出電壓條件下，TOPSwitch?GX要比同類TOPSwitch?Ⅱ的輸出功率高出10％～15％，并且還能降低外圍元件的成本。
為方便用戶使用，也可從外部通過改變極限電流設定端（X）的流出電流IX（用負值表示，單位是μA），來設定極限電流I′LIMIT值。I′LIMIT的設定范圍是（30％
～100％）·ILIMIT。
表3內(nèi)部自保護極限電流值
| TOPSwitch?GX系列產(chǎn)品型號 | 極限電流ILIMIT（A） | ||
|---|---|---|---|
| 最小值（ILIMIT(min)） | 典型值（ILIMIT） | 最大值（ILIMIT（max）） | |
| TOP242P/G/Y | 0.418 | 0.45 | 0.481 |
| TOP243P/G | 0.697 | 0.75 | 0.802 |
| TOP243Y | 0.837 | 0.90 | 0.963 |
| TOP244P/G | 0.930 | 1.00 | 1.070 |
| TOP244Y | 1.256 | 1.35 | 1.445 |
| TOP245Y | 1.674 | 1.80 | 1.926 |
| TOP246Y | 2.511 | 2.70 | 2.889 |
| TOP247Y | 3.348 | 3.60 | 3.852 |
| TOP248Y | 4.185 | 4.50 | 4.815 |
| TOP249Y | 5.022 | 5.40 | 5.778 |
3.3遠程通／斷
TOPSwitch?GX是通過改變線路檢測端流入（或流出）電流IX的大小及方向，來控制開關電源通、斷狀態(tài)的。線路檢測端內(nèi)部還增加了開啟電壓為1V的電壓比較器，此開啟電壓可用于遠程通／斷控制。對于P/G封裝的芯片，把晶體管或光耦合器的輸出接到多功能端（M）與源極（S）之間，就用正邏輯信號（高電平）起動開關電源，加低電平信號則關斷；而接在多功能端與控制端（C）之間，就改用負邏輯信號（低電平）起動開關電源，加高電平則關斷。對于Y封裝的芯片，將晶體管或光耦的輸出分別接極限電流設定端（X）、線路檢測端（L），亦可對開關電源的通／斷進行遙控。
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