TOPSwitch GX系列第四代单片开关电源的原理分析
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TOPSwitch?GX系列是美国PowerIntegrations公司继TOPSwitch?FX之后，于2000年底新推出的第四代单片开关电源集成电路，并将作为主流产品加以推广。下面详细阐述TOPSwitch?GX的性能特点、产品分类和工作原理。 1TOPSwitch?GX的性能特点及产品分类 1.1性能特点 （1）该系列产品除具备TOPSwitch?FX系列的全部优点之外，还将最大输出功率从75W扩展到250W，适合构成大、中功率的高效率、隔离式开关电源。 （2）采用TO?220?7C封装的TOP242～TOP249产品，新增加了线路检测端（L）和从外部设定极限电流端（X）这两个引脚，用来代替TOPSwitch?FX的多功能端（M）的全部控制功能，使用更加灵活、方便。 （3）将开关频率提高到132kHz，这有助于减小高频变压器及整个开关电源的体积。 （4）当开关电源的负载很轻时，能自动将开关频率从132kHz降低到30kHz（半频模式下则由66kHz降至15kHz），可降低开关损耗，进一步提高电源效率。 （5）采用了被称作EcoSmart的节能新技术，显著降低了在远程通／断模式下芯片的功耗，当输入交流电压是230V时，芯片功耗仅为160mW。 1.2产品分类 根据封装形式和最大连续输出功率的不同，TOPSwitch?GX系列可划分成三大类、共14种型号，详见表1。型号中的后缀P、G、Y分别表示DIP?8B、SMD?8B、TO?220?7C封装。 表1TOPSwitch?GX的产品分类及最大连续输出功率POM
2TOPSwitch?GX的引脚功能
产品型号
固定交流输入（110/115V/230V±15％）
宽范围交流输入（85V～265V）
密封式电源模块
敞开式电源
密封式电源模块
敞开式电源
TOP242P/G
9W
15W
6.5W
10W
TOP242Y
10W
22W
7W
14W
TOP243P/G
13W
25W
9W
15W
TOP243Y
20W
45W
15W
30W
TOP244P/G
16W
30W
11W
20W
TOP244Y
30W
65W
20W
45W
TOP245Y
40W
85W
26W
60W
TOP246Y
60W
125W
40W
90W
TOP247Y
85W
165W
55W
125W
TOP248Y
105W
205W
70W
155W
TOP249Y
120W
250W
80W
180W
TOPSwitch?GX的引脚排列如图1所示。其中，TO?220?7C封装有6个引出端，它们分别是控制端C，线路检测端L，极限电流设定端X，源极S，开关频率选择端F，漏极D。利用线路检测端（L）可实现四种功能：过压（OV）保护；欠压（UV）保护；电压前馈（当电网电压过低时用来降低最大占空比）；远程通／断（ON／OFF）和同步。而利用极限电流设定端（X），可从外部设定芯片的极限电流。DIP?8B和SMD?8B封装仍保留多功能端M，并未设置开关频率选择端F，故等效于四端器件。其余引脚功能与TOPSwitch?FX相同。
图1TOPSwitch?GX的引脚排列(a)TO?220?7C封装(b)DIP?8B和SMD?8B封装
图2TOPSwitch?GX的内部框图
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3TOPSwitch?GX的工作原理
采用Y封装的TOPSwitch?GX系列产品，其内部框图如图2所示。电路主要由18部分组成：
（1）控制电压源；
（2）带隙基准电压源；
（3）频率抖动振荡器；
（4）并联调整器／误差放大器；
（5）脉宽调制器（含PWM比较器和触发器）；
（6）过流保护电路；
（7）门驱动级和输出级；
（8）具有滞后特性的过热保护电路；
（9）关断／自动重起动电路；
（10）高压电流源；
（11）软起动电路；
（12）欠压比较器；
（13）电流极限比较器；
（14）线路比较器；
（15）线路检测端和极限电流设定端的内部电路；
（16）轻载时自动降低开关频率的电路；
（17）停止逻辑；
（18）开启电压为1V的电压比较器。
它与TOPSwitch?FX的主要区别为：新增加了第（16）、（17）、（18）项单元电路；给电流极限调节器也增加了软起动输出端；将频率抖动振荡器产生的开关频率提升到132kHz（全频模式）或66kHz（半频模式）；给频率抖动振荡器增加了一个“停止逻辑”（STOPLOGIC）电路，使之工作更为可靠。TOPSwitch?GX的工作原理仍然是利用反馈电流IC来调节占空比D，达到稳压目的。举例说明，当输出电压VO降低时，经过光耦反馈电路使得IC减小，占空比则增大，输出电压随之升高,最终使VO维持不变。
TOPSwitch?GX与TOPSwitch?FX的性能比较，详见表2。下面重点阐述TOPSwitch?GX新增功能电路的原理。
3.1轻载时自动降低开关频率的电路
对TOPSwitch?GX而言，开关频率及占空比能随输出端负载的降低而自动减小。其减小量与控制端流入的电流成反比。当控制端电流逐渐增大时，占空比能线性地减少到10％，但是当负载很轻时，占空比可低于10％。与此同时，开关频率也减少到最小值，以提高开关电源在轻载下的效率。当开关频率的正常值（即典型值）为132kHz时，频率最小值为30kHz，在半频模式下开关频率正常值为132kHz／2=66kHz，此时频率最小值就降至15kHz。该特性能保证开关电源在轻载时，仍保持良好的调节功能，并且降低了电源的开关损耗。开关频率f和占空比D与控制端电流IC的关系如图3所示。
图3开关频率和占空比与控制端电流的关系曲线
(a)f?IC关系曲线(b)D?IC关系曲线
| 功能 | TOPSwitch?FX | TOPSwitch?GX | TOPSwitch?GX |
|---|---|---|---|
| 轻载时的工作方式 | 跳过周期 | 降低开关频率及占空比 | ·提高轻载下的电源效率·降低空载损耗 |
| Y封装将线路检测、外部极限电流设定分成两个引脚：L，X | 线路检测及外部极限电流设定合并成一个引脚（M），用户只能从中选用一种功能 | 能同时实现过压和欠压保护、电压前馈、遥控和外部设定极限电流等多项功能 | ·外部设计更加灵活，允许同时运用各种功能 |
| 极限电流设定范围 | （40％～100％）ILIMIT | （30％～100％）ILIMIT | ·设定范围更宽，可设计在连续模式下，减小高频变压器的尺寸 |
| P封装的极限电流 | 与Y封装相同 | TOP243P和TOP244P降低了内部极限电流偏差的余量 | ·在低电压时，能减小输出端的交流纹波电压·在低功耗下允许工作在更加连续的模式 |
| Y封装的极限电流 | 100％ | 90％（与RSD（ON）相同） | ·减小变压器尺寸·对用户更加方便 |
| 热关断温度及滞后温度 | 125℃（滞后温度为70℃） | 130℃（滞后温度为75℃） | ·在高温应用时允许输出较大的功率 |
| 最大占空比时的开启电流 | 90μA | 60μA | ·在低电压时，降低输出电压频率的波动·降低Dmax，优化设计 |
| 电网电压过低时的负向关断阈值 | —— | 等于正向（开启）阈值的40％ | ·当电网电压降低时，能提供精确的关断阈值电压 |
| 软起动时间 | 10ms（仅控制占空比） | 10ms（能同时限制占空比和极限电流） | ·在软起动时逐渐增加极限电流和占空比，能进一步降低峰值电压和电流·在起动时可减轻元器件的负担 |
表2TOPSwitch?GX与TOPSwitch?FX的性能比较 [!--empirenews.page--]
进一步分析可知，开关损耗是由片内功率开关管MOSFET的电容损耗和开关交叠损耗这两部分构成的。这里讲的电容损耗亦称CV2f损耗，它是指储存在MOSFET输出电容和高频变压器分布电容上的电能，要在每个开关周期开始时被泄放掉而产生的损耗。交叠损耗则是由于MOSFET存在开关时间而产生的。在MOSFET的通／断过程中，有效的电压和电流同时加到MOSFET上的时间很短，而MOSFET的开关交叠时间较长，这势必造成功率损耗。单片开关电源内部加有很小的米勒（Miller）电容，使得MOSFET的开关速度更快，其交叠损耗仅为分立开关电源的1/10左右，可忽略不计。但是，由TOPSwitch?GX构成的开关电源在额定输出功率下，MOSFET的电容损耗仍占总功耗的7％左右，这是不容忽视的问题。特别当开关电源的负载很轻时，电容损耗在总功耗中所占份额还会进一步增加。因此，轻载时令TOPSwitch?GX处于低频开关状态，这对于降低MOSFET的电容损耗至关重要。
3.2内部极限电流与外部可编程极限电流
TOPSwitch?GX的漏极极限电流，既可由内部设定，亦可从外部设定。这是它与TOPSwitch?Ⅱ的另一显著区别。其内部自保护极限电流ILIMIT的最小值、典型值和最大值见表3，测试条件为芯片结温TJ=25℃。ILIMIT会随环境温度的升高而增大。TOPSwitch?GX在每个开关周期内都要检测MOSFET漏?源极导通电阻RDS(ON)上的漏极峰值电流ID(PK)。当ID(PK)>ILIMIT时，过流比较器就输出高电平，依次经过触发器、主控门和驱动级，将MOSFET关断，起到过流保护作用。将TOPSwitch?GX与TOPSwitch?Ⅱ进行比较后不难发现，TOPSwitch?GX的极限电流容许偏差要小得多。例如TOP223P/Y的容差为1.00±0.1A，相对偏差达(±0.1/1.00)×100％=±10％。而TOP244P/G的容差为1.00±0.07A，相对偏差减小到(±0.07/1.00)×100％=±7％。这表明，用TOP244P/G代替TOP223P/Y来设计开关电源时，由于TOP244P/G不需要留出过多的极限电流余量并且它把最大占空比提高到78％（TOPSwitch?Ⅱ仅为67％），因此在相同的输入功率／输出电压条件下，TOPSwitch?GX要比同类TOPSwitch?Ⅱ的输出功率高出10％～15％，并且还能降低外围元件的成本。
为方便用户使用，也可从外部通过改变极限电流设定端（X）的流出电流IX（用负值表示，单位是μA），来设定极限电流I′LIMIT值。I′LIMIT的设定范围是（30％
～100％）·ILIMIT。
表3内部自保护极限电流值
| TOPSwitch?GX系列产品型号 | 极限电流ILIMIT（A） | ||
|---|---|---|---|
| 最小值（ILIMIT(min)） | 典型值（ILIMIT） | 最大值（ILIMIT（max）） | |
| TOP242P/G/Y | 0.418 | 0.45 | 0.481 |
| TOP243P/G | 0.697 | 0.75 | 0.802 |
| TOP243Y | 0.837 | 0.90 | 0.963 |
| TOP244P/G | 0.930 | 1.00 | 1.070 |
| TOP244Y | 1.256 | 1.35 | 1.445 |
| TOP245Y | 1.674 | 1.80 | 1.926 |
| TOP246Y | 2.511 | 2.70 | 2.889 |
| TOP247Y | 3.348 | 3.60 | 3.852 |
| TOP248Y | 4.185 | 4.50 | 4.815 |
| TOP249Y | 5.022 | 5.40 | 5.778 |
3.3远程通／断
TOPSwitch?GX是通过改变线路检测端流入（或流出）电流IX的大小及方向，来控制开关电源通、断状态的。线路检测端内部还增加了开启电压为1V的电压比较器，此开启电压可用于远程通／断控制。对于P/G封装的芯片，把晶体管或光耦合器的输出接到多功能端（M）与源极（S）之间，就用正逻辑信号（高电平）起动开关电源，加低电平信号则关断；而接在多功能端与控制端（C）之间，就改用负逻辑信号（低电平）起动开关电源，加高电平则关断。对于Y封装的芯片，将晶体管或光耦的输出分别接极限电流设定端（X）、线路检测端（L），亦可对开关电源的通／断进行遥控。
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