1 引言
TOP Switch（Three Terminal Off－line PWM Switch）是PI（Power Integration）公司最先研制成功的三端隔离式脉宽调制单片开关电源集成电路，其第一代产品以1994年问世的TOP100/200系列为代表，第二代则是1997年推出的TOP－Ⅱ（221～227）系列，而新推出的TOP－GX系列（24X），除了功率继续有所增大之外，更是在前两代产品的基础上增加了不少功能，故可以看作第三代产品。本文以其第一、二代产品为例，介绍其特点、原理及应用。
2 TOP Switch集成芯片介绍
2.1 特点与优点
TOP Switch将MOSFET与整套PWM控制系统集成在一个单片集成器件内，内部包含了MOSFET、PWM发生器、驱动电路、自动偏置电路、保护电路、高压启动电路和环路补偿电路等。
由于它已经将电路各个功能部分都集成在片子内部，所以与常规的分立元件组成的电路相比，它有着以下明显优势。
1)电路结构简单，效率高。它只有三个输出控制端，利用简单的外围器件就可以完成一个开关电源的控制功能，使电路结构得以简化，体积减小，提高可靠性。并且把驱动和开关器件集成在一个片子内部，有利于提高效率和功率密度。
2)TOP Switch内部有一个高压小容量的N－MOSFET输出管，该管具有导通电阻小、导通速度可以控制等特点，因而可以减小开关电压变化率，进而减小EMI。
3)片子内部集成了脉冲前沿中断检测电路、输入欠压封锁电路、输出过压保护电路、关机自动恢复工作电路等保护电路，可以避免因各种故障引起的不良后果。
2.2 外部封装和引脚功能
前两代产品都采用图1所示的TO－220或DIP/SMD－8的封装形式。其中，后者可以根据引脚功能而简接成同TO－220封装一样的3个引脚的形式，即只有D（漏极）、S（源极）和C（控制极）
简接成同TO－220封装一样的3个引脚的形式，即只有D（漏极）、S（源极）和C（控制极）三个功能引脚。其中，1～3脚的S内部相连，作为信号地，接旁路电容的负极。6～8脚的S在片子内部也是相连的，是高压返回端（HV RTN），即功率地。在布置电路时，应该将他们安排在地线区域的不通位置上，这样可以避免主电路的大电流流过功率地线时对控制端产生影响。
漏极引脚（Drain）：该引脚是输出MOSFET的漏极连接端。漏－源击穿。开关电源开始工作时，它通过内部开关型高压电流源提供偏置电流。该引脚也是TOP Switch内部电流检测点，使用中，接功率变压器原边绕组的一端，绕组的另一端接主电路整流器输出的正极。
控制引脚（Control）：反馈电流和误差放大器的输入信号从该引脚输入，从而可以实现占空比调节。控制电流Ic的大小与占空比D成反比。当Ic从6.0mA减小到2.0mA时，D就从1.7％增至67％，比例数即为脉宽调制增益：
在正常使用中，C接到输出反馈。控制电压Vc的典型值为5.7V，极限值Vcm＝7.0V，控制端最大允许电流Icm＝100mA。
源极引脚（Source）：输出MOSFET的源极连接端。开关电源一次主电路的公共接地点和基准点。使用中，接主电路整流电源的负极。
[page]2.3 内部结构
图2 TOP Switch内部图框
TOP Switch的内部框图如图2所示，它主要包括10个部分：
控制电压源（Vc）－—控制电压Vc可以向并联调整器和门驱动级提供偏压，而控制端电流Ic则能调节占空比。电路刚上电启动时，高压电流源通过开关S提供控制端电流Ic，以便给控制电路供电，并对Cr充电。当Vc首次充电达到5.7V时，S关断，高压直流源被断开，PWM发生器和功率MOSFET开始工作。此后，Ic由反馈电路供电。
带隙基准电压源—－给内部提供各种基准电压，同时还可产生一个具有温度补偿并可调整的电流源，来精确设定振荡器的频率和门驱动电流。
振荡器（Oscillator）－—产生锯齿波（SAW）、最大占空比信号（Dmax）和时钟信（CLOCK）。振荡频率内部已设定为100kHz，这有利于减小EMI和提高电源效率。
并联调整器/误差放大器(Shunt Regulator/Error Amplifier)－－并联调整器的作用是当加到C端的反馈电流超过所需要的电流值时，就通过并联调整器就行分流，以确保Vc＝5.7V（典型值）。误差放大器将反馈电压与5.7V的基准电压进行比较，控制输出误差电流Ifb，当Ifb流过电阻Re之后，形成一个误差电压送到PWM调制器，从而调节PWM信号的占空比。
脉宽调制器(PWM Comparator)—－通过改变控制端电流IC的大小，可连续调节脉冲占空比，实现脉宽调制。同时，它正输入端的R、C组成截止频率为7kHz低通滤波器能虑掉开关噪声电压。
门极驱动级和输出级(Control Turn-on Gate Driver)－—用于驱动N沟道MOSFET，使其按照内部设定的开关频率工作。
过流保护电路——利用MOSFET的漏－源通态电阻Rds.on来检测过流信号。片子内部将Rds.on上产生的压降Vds.on与一个参考电压Vlimit作比较。当Id过大时，Vds.on也随之上升。如果Vds.on>Vlimit，过流比较器将会翻转，进而发出信号使MOSFET关断，起到过流保护作用。片子在设计时，还对Vlimit进行了温度补偿，以消除因Rds.on随温度变化而引起的Vds.on的波动。
过热保护及上电复位电路(Thermal Shutdown & Power-up Reset)－—当片子的结温达到135 时，过热保护电路就输出高电平，将RS触发器的Q端置“1”，进而关断输出级。
关断/自动重启电路(Shutdown/Auto-restart)—－当调节失效时，立即使片子在5％的低占空比下工作，同时切断从外部流入控制端的电流Ic。如果故障已经排除，就自动重启动，回复到正常工作状态。自动重启的频率为1.2Hz（当Cr为47uF时）。
高压直流源——在启动或是滞后调节模式下，该电流源通过电子开关S给内部电路提供偏置电流，并且对Cr进行充电以启动电路。电源正常工作时开关S改接内部电源，高压直流源被旁路掉。
[page]3 利用TOP Switch组成的开关电源
如前所述，由于TOP Switch已经将很多功能集成在片子内部，所以很容易利用它组成各种小功率的功率变换电路，如Flyback, Forward, Boost，Buck等等。下面以图3所示的7.5V、15W开关稳压电源为例来说明TOP Switch在开关电源中的典型应用。
该电源的交流输入电压范围为85～265Vac，经EMI滤波、整流、C2滤波之后，得到直流电压。变压器一、二次绕组的变比可以设定输出电压大小。电路刚上电时，TOP内部高压电流源直接提供控制极电流Ic，使得片子启动，电路开始工作。电路正常工作后，Ic将由反馈网络提供，同时通过调节内部PWM的占空比实现对输出电压的自动调节。反馈网络由偏置绕组Ns、VD3（IN4148）、电容C4、R1、光耦IC2（NEC2501-H）和稳压管VD22（N5995B）组成。Ns端电压经过VD3整流和C4滤波后，得到一个偏置电压。稳压管VD22（N5995B）、电阻R1和光耦IC2（NEC2501-H）则可通过控制光耦初级发光管的电流If实现对输出电压的调整。其中R1是VD22的限流电阻，同时又可以决定控制环路的增益。根据光耦特性，可以把光耦看作一个电流控制电流源（CCCS），次级电流Ic受初级电流If控制，且在一定的范围内，两者是成正比的，即。所以，如果输出电压有波动，必然会引起If的同方向变化，于是引起Ic的变化使得PWM占空比往反方向变动，从而将输出电压稳定下来。比如，若是输出电压偏低了，经过稳压管的作用，反馈网络的原边电流If必将降低，因而Ic也会降低。由于PWM占空比是跟Ic反方向变化的，所以占空比就会增加，从而使得输出电压升高，保持了输出电压的稳定。
电路中除整流桥之外，所使用的二极管都是快恢复的，反向恢复，以适应100KHz的开关频率。C5（47uF）是控制端旁路电容，可以对控制环路进行补偿，同时还决定着自动重启动的频率。并在变压器原边的VDZ1（P6KE150）是顺态电压抑制器（TVS），其嵌位电压为150V，嵌位时间为1ns，功耗不超过5W。它与反串的二极管VD1（UF4005）一起组成漏极嵌位电路，一方面可以将高频变压器漏感产生的瞬时电压嵌位在安全电压以下，同时可以作为变压器消磁回路，防止饱和。输出端接R2作为电源的假负载，可以在电路轻载或空载时依然保证良好的输出电压和调整特性，避免电压漂移。输出LC滤波器可以显著地减少开关频率的输出纹波和高频噪声，但是也可能会因为L、C的附加相移使电路不稳定。因此本电路中反馈网络的光藕连接到L1与整流器间，以避免附加相移引起不良后果。
4 应用中需要注意的问题
1）布线时，S引脚的引线应该非常短，旁路电容应尽可能靠近S和C引脚，同时，S脚应单点接地，以避免主电路的工作电流对控制信号造成干扰。
2）在某些条件下，从外部给控制引脚加入电压或电流，能够使TOP Switch永远保持在8个自动回复周期中的某一个周期内，并且能够防止开关电源自动重启动。
3）在自动恢复工作过程中，当输入电压低于20V时，控制引脚电流很小，这样会增加自动恢复循环的周期。所以，应避免输入电压过低。
[page] 4）交流输入电源短时中断后，开关电源再次工作前，片子进入自动恢复过程。这是因为电容器中存储的能量没有立即释放完，并且当控制引脚电压低于内部上电复位电压时，接在控制引脚上的电容将不能放电。
5 结 语
TOP Switch系列产品一问世便显示出了强大的生命力和发展前景，因为它们可以使得250W以下小功率开关电源的电路变得简单、设计简化、体积变小、成本降低、可靠性提高、功率密度增加、效率提高，因而广泛应用于仪器仪表、笔记本电脑、移动电话、摄录像机、手机电池充电器、功率放大器等各种小型设备之中。可以预计，随着工艺的发展，功率的提高，TOP Switch将会有更广泛的应用。 『本文转载自网络,版权归原作者所有,如有侵权请联系删除』
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