三端单片开关电源TOP412/414的原理与应用

    摘要：三端单片开关电源TOP412/414是美国Powergration公司生产的将PWM控制器和MOSFET功率开关集成在一起的一体化集成控制芯片。本文介绍了该芯片的性能特点和工作原理，给出了典型的应用电路。

    关键词：TOPSwitch 脉宽调制 单片开关电源 TOP412/414

1 引言

TOPSwitch412/414系列器件是美国Powergration公司生产的三端隔离式脉宽调制单片开关电源集成电路。该器件将PWM集成电路和MOSFET功率器件集成在同一芯片中，并具备PWM型开关稳压电源所需的全部功能。同时，它还含有通态可控栅极驱动电路、高压N沟道关场效应管、12kHz振荡器。电路型PWM调制器、高压启动偏置电路、带隙基准、用于环路补偿的并联调整器、误差放大器和故障保护等功能。该器件通过高频变压器使输出端与电网完全隔离，从而实现了无功频变压器隔离的开关电源的单片集成化。TOPSwitch412/414采用SMD-8封装方式，使用6个管脚将热量直接传到电路板上，因而可减少散热装置的成本。

    采用TOPSwitch412/414的开关电源与采用分立的MOSFET功率开关器件及PWM控制器的开关电源相比，具有以下优点：

●成本低廉；

●系统效率高；

●设计简单；

●具有系统级故障保护功能；

●具有较强的应用灵活性；

2 内部结构

TOPSwitch412/414采用SMD-8型封装形式，8个引脚可简化为3个管脚，即源极S、漏极D和控制极C。其中，源极实际上就是连接内部MOSFET的源极，是初级电路的公共点，同时也是电源回流的基准点。漏极即是连接内部MOSFET的漏极，电路启动时，可通过内部高压开关电流源提供内部偏置电流。

芯片中的控制极是误差放大电路和控制占空比反馈电流的输入端。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、也可作为提供旁路、自动重起和补偿功能的电容连接点。

    TOPSwitch412/414的内部结构框图如图1所示。其内部电路的功能如下：

控制电压源：由控制电压Vc向并联调整器和门驱动极提供偏压，同时控制端电流Ic调节占空比。

带隙基准电压源：带有温度补偿的带隙其准电压用于内部各电路提供各种基准电压和产生MOSFET门极驱动电流。

振荡器：内部振荡器可通过内部电容器在两个电压范围内线性地充放电来产生脉宽调制比所需的锯齿波。振荡频率固定为120kHz，这在电源中有助于减少EMI和提高效率。

PWM调制器：通过改变控制端电流Ic的大小可改变电阻RE的电压降，并经RC滤波后由PWM比较器与锯齿波进行比较，以产生PWM脉宽调制信号来驱动MOSFET管。其脉宽与控制端的电流Ic成反比关系。

栅极驱动电路：栅极驱动电路可按照一定速率导通MOSFET，以减少EMI。为提高精度，栅极驱动也可实现逐周电流限制。

误差放大器：误差放大器的同相端接带隙基准电压源提供的精密其准电压。反相端接控制极反馈电压，其增益由控制极的动态阻抗决定。

过流保护：该器件利用MOSFET的漏一源极通态电阻来作为传感器电阻检测电流。这样，当漏极电流过大时，关断MOSFET可实现过流保护。

关闭/自动重启电流：为减少功耗，在电路超过调整状态时，关断/自动重启电路以5%的占空比接通和关断电源。在故障排除后又将自动重新启动电源以恢复正常工作。

保护电路：当芯片结温超过145℃时，输出关断级，另外，TOPSwitch412/414还具有欠压和过流保护等功能。

3 基本工作原理

开漏极输出的TOPSwitch芯片是一个自偏置、自保护的电流一占空比线性控制转换器。控制极电压Uc可为控制器和驱动器提供偏置电压或供电。在控制极的源极之间并联一个外部旁路电容即可为接到控制极上所有的电容CT设定关断/自动重启的时间。

启动时，接在漏极和源极之间内部高压电流源向控制极充电，因为可通过控制极外接的电容充电过程来实现电路的软启动。当Uc达到5.7V，内部高压电流源关闭，此时由反馈控制电流向Uc供电。在正常工作阶段，由外界电路构成电压负反馈控制环，调节输出级MOSFET的占空比以实现稳压。当输出电压升高时，Uc升高，采样电阻RE上的误差电压亦升高。而在与锯齿波比较后，将使输出电压的占空比减小，从而使开关电源的电压减小。当控制极电压低于4.7V时，MOSFET管关闭，控制电路处于小电流等待状态，内部高压电流源重新接通并向Uc充电。其关断/自动重启滞回比较器可使Uc保护在4.7～5.7V之间。图2所示是其运行波形，其中a图为正常运行波形，b图为自动重启波形。

自动重启电路具一个八分频计数器，可以阻止输出级MSOFET再次导通，直到领先个放电一充电周期完成为止。因此，在自动重启期间，占空比控制在5%左右可有效地限制芯片的功耗。

4 典型应用

图3是一个应用TOPSwitch414设计的5V/2A的开关稳压电源，其输入电压范围为36～72VDC。

在变压器原边并联的VR1和D1为缓冲电路，用以消除变压器原边关断瞬间形成的反向电压，C3～C6与L1组成π型高频滤波器。线性光耦合器PC317和可调精密并联稳压器TL431为其提供闭环负反馈回路。当+5V电压发生变化时，经电阻R3、R4分压后得到取样电压与TL431提供的2.5V电压进行比较形成的误差电压将使LED的工作电流产生相应的变化，并通过光耦U2改变控制极电流Ic的大小，调节TOPSwitch414的输出占空比可使电源输出电压维持不变，以达到稳压的目的。