单片开关电源集成电路具有高集成度、高性价比、最简外围电路、性能指标、能构成高效率无工频变压器的隔离式开关电源等优点。它于90年代中、后期相继问世后,便显示出强大的生命力,目前它成为国际上开发中、小功率开关电源、精密开关电源及电源模块的优选集成电路。由它构成的开关电源,在成本上与同等功率的线性稳压电源相当,而电源效率显着提高,体积和重量则大为减小。这就为新型开关电源的推广与普及,创造了良好条件。
(1)TOPSWitch-II内部包括振荡器、误差放大器、脉宽调制器、门电路、高压功率开关管(MOSFET)、偏置电路、过流保护电路、过热保护及上电复位电路、关断/自动重启动电路。它通过高频变压器使输出端与电网完全隔离,使用安全可*。它属于漏极开路输出的电流控制型开关电源。由于采用CMOS电路,使器件功耗显着降低。
(2)只有三个引出端:控制端C、源极S、漏极D,可同三端线性稳压器相媲美,能以最简方式构成无工频变压器的反激式开关电源。为完成多种控制、偏置及保护功能,C、D均属多功能引出端,实现了一脚多用。以控制端为例,它具有三项功能:①该端电压VC为片内并联调整器和门驱动级提供偏压;②该端电流IC能调节占空比;③该端还作为电源支路与自动重启动/补偿电容的连接点,通过外接旁路电容来决定自动重启动的频率,并对控制回路进行补偿。
(3)输入交流电压的范围极宽。作固定电压输入时可选220V±15%交流电,若配85~265V宽范围变化的交流电,最大输出功率要降低40%。开关电源的输入频率范围是47~440Hz。
(4)开关频率典型值为100KHz,占空比调节范围是1.7%~67%。电源效率为80%左右,最高可达90%,比线性集成稳压电源提高近一倍。其工作温度范围是0~70℃芯片最高结温Tjm=135℃。
(5)TOPSwitch-II的基本工作原理是利用反馈电流IC来调节占空比D,达到稳压目的。举例说明,当由于某种原因致使开关电源的输出电压VOT时,经过光耦反馈电路就使Ic↑→误差电压Vrt→D↓→Vo↓,使Vo保持不变。反之亦然。
(6)外围电路简单,成本低廉。外部仅需接整流滤波器、高频变压器、初级保护电路、反馈电路和输出电路。采用此类芯片还能降低开关电源产生的电磁干扰。
(1)TOPSwitch-II的反馈电路中需配光电耦合器与输出电路隔离。设计精密开关电源时,还应增加一片TL431型可调式精密关联稳压器,由它构成外部误差放大器,来代替取样电路中的稳压管。精密开关电源的电压调整率Sv、电流调整率Sl均可达±0.2%左右,接近于线性集成稳压电源的指标。
(2) 应选用电流传输比(CTR)能线性变化的光电耦合器,如PC817A,NEC2501、6N137等型号,不推荐采用4N25、4N35等4N××型普通光耦。后者的线性度差,传输模拟信号时会造成失真,影响开关电源的稳压性能。
(3) 高频变压器的初级必须设置保护电路,用以吸收漏感引起的尖峰电压,确保MOSFET不被损坏。这种保护电路应并联在初级上,具体有4种设计方案:①由瞬变电压抑制二极管(TVS)和超快恢复二极管(SRD)组成钳位电路;②由TVS与硅整流管(VD)构成的钳位电路;③由阻容元件与SRD构成的吸收电路;④由阻容件与VD构成的吸收电路。上述方案中以①的效果最佳,能充分发挥TVS响应速度极快、可承受高能量瞬态脉冲之优点。方案②次之。
(4)使用芯片时需加合适的散热器。对于TO-220封装,可直接装在小散板上。对于DIP-8和SMD-8封装的可将4个源极焊在面积为2.3的印制板敷铜箔上代替散热片。
(5) 为抑制从电网引入的干扰,也防止开关电源产生的干扰向外部传输,需在电源进线端增加一级电磁干扰滤波器(EMI filter)亦称电源噪声滤波器(PNF)。
(6) 使用此类芯片时,源极引线要尽量短。为使空载或轻载时输出电压稳定,应在稳压电源输出端接一只几百欧的电阻作为最小负载,亦可并联一只稳压管。
单片开关电源可广泛用于仪器仪表、笔记本电脑、移动电话、电视机、VCD和DVD、摄录像机、电池充电器、功率放大器等领域,并能构成各种小型化、高密度、低成本的开关电源模块。此外,它还适合构成后备式开关电源,非隔离式开关电源、恒流恒压输出开关电源,供无线通信用的DC/DC电源变换器、恒功率调节器、功率因数补偿器等。
单片开关电源的电路可以千变万化,但其反馈电路只有四种基本类型:
(1)基本反馈电路;
(2)改进型基本反馈电路;
(3)配稳压管的光耦反馈电路;
(4)配TL431的光耦反馈电路。
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