解放軍信息工程大學 李現兵 牛忠霞 李建兵 黃娟
前言
一般情況下，以TOP開關器件為代表的開關電源芯片，其漏極D和變壓器初級的一端相接。由于漏感引起的反峰電壓反射到變壓器的初級，將直接加在漏極上，而反峰電壓與輸出電壓有關，即輸出電壓越高，反峰電壓也越高，對于漏極與源級之間耐壓只有幾百伏的TOPSwitch器件來說，過高的電壓很容易將其擊穿，因此，采用TOPSwitch器件制作的開關電源，大多數采用低壓小功率輸出。本文通過改進電路，實現了TOPSwitch器件在高壓開關電源中的應用。
TOPSwitch－Ⅱ工作原理
TOPSwitch－Ⅱ系列可廣泛應用于各種通用及專用開關電源、待機電源、開關電源模塊中。它將PWM控制系統的全部功能集成到三端芯片中，內含脈寬調制器、MOSFET、自動偏置電路、保護電路、高壓啟動電路和環路補償電路。通過高頻變壓器使輸出端與電網完全隔離，真正實現了無功頻變壓器TOPSwitch－Ⅱ不需要外接大功率的過流檢測電阻，也不必提供啟動時的偏置電流。它采用漏級開路輸出方式，利用電流來線性調節占空比，是電流控制型開關電源。
脈沖調制式開關電源的基本原理如圖1所示。交流220V輸入電壓經過整流濾波器變為直流電壓V1，再由功率開關管VT（或MOSFET）斬波、高頻變壓器T降壓，得到高頻矩形波，最后通過輸出整流濾波器VD、C2，獲得所需的直流輸出電壓V0。脈寬調制器是這類開關電源的核心，它能產生頻率固定而脈沖寬度可調的驅動信號，控制功率開關管的通斷狀態，以調節輸出電壓的高低，達到穩壓目的。鋸齒波發生器提供時鐘信號，利用誤差放大器和PWM比較器構成閉環調節系統，假如由于某種原因致使V0下降，脈寬調制器就改變驅動信號的脈沖寬度，即改變占空比D，使斬波后的平均電壓升高，導致V0上升，反之亦然。
TOPSwitch－Ⅱ的應用
依據TOPSwitch電路的特性，本文實現了一路高壓與一路低壓的雙路輸出電源。對于高壓輸出，采用了二次升壓和6倍壓整流的方法來獲得其中的一路直流高壓輸出：2500V/40mA，由于本文只對TOPSwitch的高壓應用進行探討，該路輸出電壓精度不作要求；另外一路低壓輸出為6V/1A，精度優于1％，由于高壓部分精度要求不高，因此，可以直接輸出，但是低壓部分精度要求較高，因此，在該路電壓輸出端，通過取樣電阻對輸出電壓進行采樣，輸入采用TL431。TL432是一個有良好熱穩定性的三端可調分流基準源，它的輸出電壓用兩個電阻就可以任意設置從Vref（2.5V）到36V范圍內的任何值。取樣電壓通過光耦隔離后送入TOPSwitch的控制端。光耦供電電壓可以利用變壓器次級輸出電壓供電。
本方案采用基于TOPSwitch－Ⅱ的反激變壓器來實現。通過一個變壓器的多副邊繞組得到所需要的雙路輸出電壓，另外，兩路輸出電壓處在不同電位上，他們之間的電壓差很大，因此，變壓器的隔離度要求很高，這也是該電源的一個實現難點。
TOPSwitch芯片的選擇
本電源的輸入電壓為270VDC，在該系列所要求的電壓范圍內。對芯片的選擇主要是考慮功率的需要，輸出功率PO約為110W，考慮一定的裕度，本方案選擇TOP226Y芯片，具體實現電路如圖2所示。
反饋電路設計
反饋電路的形式由輸出電壓精度決定，本方案中的“光耦＋TL431”可以把輸出電壓精度控制在±1％。電壓反饋信號經分壓網絡引入TL431的Ref端，轉化為電流反饋信號，經過光耦隔離后輸入TOPSwitch的控制端。
光耦工作在線性狀態，起隔離作用，如果所選的光耦的電流放大率上限超過200％，容易造成TOPSwitch過壓保護。相反，若其下限小于40％，占空比D將不能隨反饋電流的增加而減小，從而導致過流。因此，應選擇電流放大率范圍接近100％的光耦。
TOPSwitch使用注意事項
應用中，TOP開關的源腳引線盡可能短，旁路電容要盡可能靠近源腳和控制腳，源腳應單點接地。
開關關斷時，為了減小漏極峰值電壓和漏極沖擊激勵振蕩電壓，漏感較大的高頻變壓器初級必須加入阻尼電阻。
測試時，TOP開關器件不能直接插入加有高電壓的插座內。在印刷電路板上，控制腳外接電容器能夠把較大的浪涌電流傳輸到觸發器和關斷鎖存器。從而關斷TOP開關。
開關電源輕載或空載時，輸出MOSFET導通時間很短，為了使輸出電壓保持在設計范圍內，該開關電源必須外加一個很小的負載。
結語
TOPSwitch－Ⅱ作為一種集成芯片，大大簡化了開關電源的設計流程，不僅能用于低壓電源，也可以用于高壓電源。
