TOP开关电源IC结构

开关电源自20世纪70年代开始应用以来,涌现出许多功能完备的集成控制电路,使开关电源电路日益简化,工作频率不断提高,效率大大提高,并为电源小型化提供了广阔的前景.三端离线式脉宽调制单片开关集成电路TOP(Threeterminaloffline)将PWM控制器与功率开关MOSFET合二为一封装在一起,已成为开关电源IC发展的主流.采用TOP开关集成电路设计开关电源,可使电路大为简化,体积进一步缩小,成本也明显降低.
TOP开关电源IC结构:
TOP开关集各种控制功能,保护功能及耐压700V的功率开关MOSFET于一体,采用TO220或8脚DIP封装.少数采用8脚封装的TOP开关,除D,C两引脚外,其余6脚实际连在一起,作为S端,故仍系三端器件.三个引出端分别是漏极端D,源极端S和控制端C.其中,D是内装MOSFET的漏极,也是内部电流的检测点,起动操作时,漏极端由一个内部电流源提供内部偏置电流.控制端C控制输出占空比,是误差放大器和反馈电流的输入端.在正常操作时,内部的旁路调整端提供内部偏置电流,且能在输入异常时,自动锁定保护.源极端S是MOSFET的源极,同时是TOP开关及开关电源初级电路的公共接地点及基准点.
工作原理:
TOP包括10部分,其中Zc为控制端的动态阻抗,RE是误差电压检测电阻.RA与CA构成截止频率为7kHz的低通滤波器.主要特点是:
(1)前沿消隐设计,延迟了次级整流二级管反向恢复产生的尖峰电流冲击;
(2)自动重起动功能,以典型值为5%的自动重起动占空比接通和关断;
(3)低电磁干扰性(EMI),TOP系列器件采用了与外壳的源极相连,使金属底座及散热器的dv/dt=0,从而降低了电压型控制方式与逐周期峰值电流限制;
(4)电压型控制方式与逐周期峰值电流限制.
下面简要叙述一下:
(1)控制电压源
控制电压Uc能向并联调整器和门驱动极提供偏置电压,而控制端电流Ic则能调节占空比.控制端的总电容用Ct表示,由它决定自动重起动的定时,同时控制环路的补偿,Uc有两种工作模式,一种是滞后调节,用于起动和过载两种情况,具有延迟控制作用;另一种是并联调节,用于分离误差信号与控制电路的高压电流源.刚起动电路时由DC极之间的高压电流源提供控制端电流Ic,以便给控制电路供电并对Ct充电.
(2)带隙基准电压源
带隙基准电压源除向内部提供各种基准电压之外,还产生一个具有温度补偿并可调整的电流源,以保证精确设定振荡器频率和门极驱动电流.
(3)振荡器
内部振荡电容是在设定的上,下阈值UH,UL之间周期性地线性充放电,以产生脉宽调制器所需要的锯齿波(SAW),与此同时还产生最大占空比信号(DMAx)和时钟信号(CLOCK).为减小电磁干扰,提高电源效率,振荡频率(即开关频率)设计为100kHz,脉冲波形的占空比设定为D.
(4)放大器
误差放大器的增益由控制端的动态阻抗Zc来设定.Zc的变化范围是10Ω～20Ω,典型值为15Ω.误差放大器将反馈电压UF与5.7V基准电压进行比较后,输出误差电流Ir,在RE上形成误差电压UR.
(5)脉宽调制器(PWM)
脉宽调制器是一个电压反馈式控制电路,它具有两层含义.第一,改变控制端电流Ic的大小,即可调节占空比D,实现脉宽调制.第二,误差电压UR经由RA,CA组成截止频率为7kHz的低通滤波器,滤掉开关噪声电压之后,加至PWM比较器的同相输入端,再与锯齿波电压UJ进行比较,产生脉宽调制信号UB.
(6)门驱动级和输出级
门驱动级(F)用于驱动功率开关管(MOSFET),使之按一定速率导通,从而将共模电磁干扰减至最小.漏源导通电阻与产品型号和芯片结温有关.MOSFET管的漏源击穿电压U(bo)ds≥700V.
(7)过流保护电路
过流比较器的反相输入端接阈值电压ULIMIT,同相输入端接MOSFET管的漏极.此外,芯片还具有初始输入电流限制功能.刚通电时可将整流后的直流限制在0.6A或0.75A.
(8)过热保护电路
当芯片结温TJ>135℃时,过热保护电路就输出高电平,将触发器Ⅱ置位,Q=1,Q=0,关断输出级.此时进入滞后调节模式,Uc端波形也变成幅度为4.7V～5.7V的锯齿波.若要重新起动电路,需断电后再接通电源开关;或者将控制端电压降至3.3V以下,达到Uc(reset)值,再利用上电复位电路将触发器Ⅱ置零,使MOSFET恢复正常工作.

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