新型高功率单片高压开关TOP-GX系列稳压电源的研究

    摘要：第三代单片高压开关TOP-GX系列比第二代单片高压开关TOP系列有了较大改进，它不仅使输出功率扩展到了250W，而且还增加了很多内置以及用户可配置的功能，从而使应用可开发为员可灵活地以最低的系统成本完成优化的电源设计。文中介绍了POWER INTEGRATION公司生产的TOP-GX系列开关的特点、功能和注意事项，并对其设计中应注意的问题和步骤作了详细描述。

    关键词：单片开关 高功率 稳压电源 TOP-GX系列

1 概述

人们对第二代单片高压开关TOP系列应用于开关稳压电源的设计已作为广泛深入的研究。目前POWER INTEGRATION公司又推出第三代单片高压开关TOP-GX系列IC，它除了具有TOP switch IC在单一CMOS芯片上集成了高压功率MOSFET、PWM控制、故障检测及其它控制电路外，还在片内集成了很多内置的以及用户可配置的功能，因而比第二代单片高压开关TOP系列有了较大的改进。第三代单片高压开关TOP-GX系列IC的主要特性有：

●输出功率范围宽：5～250W（各型号所对应的输出功率如表1所列）；

●集成了多种内置功能；

●具有软启动功能：可降低开启时的超调以及对元器件的冲击；

●可采用频率抖动来降低EMI的峰值干扰；

●具有较高的占空比，允许更大功率和使用较小的输入电容；

●具有零负载调节能力，因而轻载时效率很高，另外，其待机时的功耗也非常低；

●具有滞后过热关断功能，可使器件自动进行故障恢复；

●增设的用户可配置引脚可用于检测电网过、欠电压以及设置外部电流限制和选择两种开关频率（132kHz和66kHz）。具有电网欠压保护、过压关断，以及电路电压前馈功能，可降低输出纹波并在高输入电压时最大限度地减小占空比；

●通过外部电流限制引脚可以精确地减小高压MOSFET电流，从而廉价地实现高效率；

●采用ECOSMART技术，该技术在待机及电源无负载条件下可以节约能源；

●具有远程ON/OFF功能，可通过遥控方式控制电源的开闭并实现外同步，从而达到降低功耗的目的；

●在低负载时，可自动降低工作频率。

由于TOP switch-GX系列大功率单片高压开关具有以上诸多特点，因此可广泛用于中功率的开关稳压电源中。它不仅电路简单，而且可靠性高，所以在中功率电子设备系统中具有广泛的应用前景。

表1 TOP-GX系列开关IC输出功率

2 管脚功能

TOP switch-GX系列开关的管脚排列如图1所示，该系列有Y型封装和P、G封装两种结构。从图上看出：对于Y封装的TOP switch-GX系列开关，其D、C、S管脚与原TOP switch系列开关的命名完全一样，分别为漏极、控制极和源极，而新增加的管脚有L、X和F等，各管脚的功能说明如下：

L：为输入电压的欠压与过压检测端，该端同时还具有远程遥控功能。若在L端与输入电压正端接入2MΩ的电阻，那么，其欠压保护值为：

Vuv=IuvRL=100VDC

过压保护值为：Vou=IovRL=450VDC

图2所示为Y封装器件组成的电网电压检测和外部电流设定电路。

此外，只要在L、C端之间加一个三极管或未免电耦合器也可以实现远程遥控功能。具体电路如图3所示。

X：外部电路流定调整端。在X端与源极之间接入不同的电阻，则开关电流可限定在不同的数值。若R1=12kΩ，则流过开关的电流被设定为额定值的69%；若R1=6kΩ，则为额定值的90%；也就是说，随着R1值的增大，开关允许流过的电流随之减小。

F：开关频率选择端。当F端接到源极时，其开关频率为132kHz，而当F端接到控制端时，其开关频率为66kHz。

此外，TOP switch-GX系列开关也可以当作一般的三端TOP器件使用，只要在使用时将L、X、F端同时与源极相接即可。但此时新增用户可配置的功能将全部失效。

P、G封装的TOP switch-GX系列开关没有X、F端，但新增有M端，其功能与Y封装中的L端的功能相同。

3 TOP switch-GX系列开关稳压电源

现以250W/48V稳压电路的设计为例，来说明TOP switch-GX系列开关稳压电源的设计要求和主要步骤。

3.1 设计要求

输入电压：250V～380V DC；

输出电压：48V；

输出电流：5.2A；

电网调整率：±1%。

3.2 设计步骤

根据上述设计要求，首先设计该开关稳压电源的具体电路。图4所示是一个250W/48V稳压电源的电路原理图，其设计步骤如下：

（1）器件选择

根据设计要求和表1所列的输出功率，可选择TOP249Y作为开关器件。这时TOP249Y将工作在输出功率的上限，电流设定在最大值，即将X端直接与源极相连。而过压值设定在450VDC，若输入电压超过此值，则TOP switch-GX开关将自行关断，直到输出电压恢复正常后，开关又自行重新启动。频率选择端F也与源极直接相连，此时开关工作频率将设定为132kHz。

（2）脉冲变压器的设计要求

因电源的输出功率较大，故脉冲变压器的漏感应尽可能地小，特别是在低压大电流的情况下更应如此。脉冲变压器的初、次级绕组应相间绕制。即使这样，脉冲变压器漏感储存的能量仍有可能超过瞬态抑制二极管VR1的功率容量，因此应将R2、R3和C2与VR1并联，从而使漏感中的能量能够部分地消耗在R2、R3上，以保证VR1的工作可靠性；同时又可将电压钳位在200VDC，这样可保证TOP switch-GX开关在电源启动与过载条件下，使内部MOSFET的漏极电压低于700VDC。

（3）电源次级电路设计

电源次级整流管在低输出电压情况下，一般采用肖特基二极管来减小其损耗。而当输出电压较高时，则需要采用快恢复二极管来完成此项任务。（可参见图4中D2）；如果开关频率较高，则应进一步采用超快恢复二极管作整流管，以减小其反向电流对初级的影响。

滤波电容C7的容量应满足输出电压纹波的要求，L1及C8应能有效地滤除开关所产生的噪声影响。

反馈调整电路可采用光耦和稳压二极管组成的固定基准调整电路，图4中采用VR2、VR3、VR4三只稳压二极管串联作为基准以获得所需要的48V输出电压，R5为光耦的限流电阻，该电阻的使用不影响电路中检测环路的增益。由二极管D4和电容C11组成次级缓冲电路，可用于在启动瞬间检测光耦的输出电流，从而改变控制端C的电流以实现预调整，从而确保电源在低电网电压和满载启动时达到规定的调整值。R7用于为电容C11提供放电通路；C10，R6为检测环路的补偿电路；D3，C9用来为反馈电路提供电源。

4 设计中应注意的问题

TOP switch-GX系列开关电源如果设计合理，一般都比较容易满足设计要求；但如果设计不当，则会出现一些不正常现象。因此，在具体设计时，应注意以下事项：

（1）脉冲变压器的初级电感值要适当，一般在300μH到3000μH之间。输出功率较大时应取下限；反之则应取上限。变压器的初级电感不能太小，否则会造成TOP switch-GX系列开关中MOSFET的漏极电流过大而使损耗增加，同时易造成过流保护而使电源难以启动。同样，初级电感也不能太大，过大则不能满足输出功率的要求。

（2）在选择输出滤波电容时，该电容等效串联电阻应尽可能的小，特别是在低压大电流的情况下更是如此，否则会由于电容损耗的增大而导致电源可靠性的降低。

（3）反馈光耦输出端应靠近控制端C，控制端C的滤波电容应靠近源极；另外多功能端L、X、F或M与源极之间的连接线也应尽可能的短，同时还应当远离漏极，以减小电源噪声。

5 结论

POWER INTEGRATION公司的第三代TOP switch-GX系列开关器件增加了许多功能，同时输出功率也有较大提高。实践证明，用第三代TOP switch-GX系列开关器件设计开关稳压电源，其电路结构更加简单，抗干扰性能更好，可靠性更高，因此，在中功率电子设备中有着更广泛的应用前景。