2-2-4PWM控制与驱动电路 22-4-1三脚PWM/ MOSFET复合单片 TOPSwitch-2电路 TOPSwitch-2性能 1功率范围明显扩大:在宽值输入交流电压(85-265V)时,最大输出功率由50w扩大到9W 在单值交流输入电压(110/115/230V)时,输出功率范围由100W扩大到150W;应用领域拓宽到小型 电视机和显示器,音响放大器等 2电路设计新特点:AC/DC变换效率提高到90%只有三个引脚的单片IC综合了控制系统,驱动电路 功率MOS脉宽调制,高压启动电路,环路补偿调节,故障保护电路等功能;TOP器件的线 性控制特性,在低成本上具有竞争力。 3 TOPSwitch-2有二种封装形式。除三脚IOP220外,还有8脚DP封装中有6个引脚接地,用于增大 散热功能,特别有利于微型电器设备的电源安装设计 4引脚最少(①P也只有三个有效接点) TOPSwitch,却集成了100KHZ脉宽调制稳压电源所需所有功能 自设高压偏置电流源,偏分流调节器/误差电压放大器、振荡器、带隙参考基准、恒频的PWM、 受控导通的栅极驱动器、前沿消隐和自动保护功能 5.该 TOPSwitch输出极是可控导通速度的高压N沟道、低输出电容MOSF',从功率管漏源低导通电阻 取样来控制导通时间。受控导通减少了开关电压的变化速率,它同连接散热片的源极一起,明 显减少了电磁干扰和系统噪声,使滤波器成本降到最低。 OPSwitch具有完善的多种自动保护功能电路:过流限制、过压切断、欠压锁定、过热关闭、短路 保护等、 7. TOPSwitch-Ⅱ的外围电路很简单,只需要十几只器件,就能制作高性能的小型电源。它的集成度 高,电路设计简化,比分立元件电路减少15~20只元件,并允许采用单面PCB板,可用于离线 反馈式、正向激励式和升压式功率因数校正等电源
2-2-4 PWM控制与驱动电路 2-2-4-1 三脚PWM/MOSFET复合单片TOPSwitch-2电路 TOPSwitch-2性能 1 功率范围明显扩大：在宽值输入交流电压（85－265V）时，最大输出功率由50W扩大到90W ; 在单值交流输入电压（110/115/230V)时，输出功率范围由100W扩大到150W；应用领域拓宽到小型 电视机和显示器，音响放大器等。 2 电路设计新特点：AC/DC变换效率提高到90％只有三个引脚的单片IC综合了控制系统，驱动电路， 功率MOSFET,脉宽调制，高压启动电路，环路补偿调节，故障保护电路等功能；TOP器件的线 性控制特性，在低成本上具有竞争力。 3 TOPSwitch-2有二种封装形式。除三脚TOP-220外，还有8脚DIP封装中有6个引脚接地，用于增大 散热功能，特别有利于微型电器设备的电源安装设计。 4引脚最少(DIP也只有三个有效接点）TOPSwitch,却集成了100KHZ脉宽调制稳压电源所需所有功能： 自设高压偏置电流源，偏分流调节器/误差电压放大器、振荡器、带隙参考基准、恒频的PWM、 受控导通的栅极驱动器、前沿消隐和自动保护功能。 5.该TOPSwitch输出极是可控导通速度的高压N沟道、低输出电容MOSFET,从功率管漏源低导通电阻 取样来控制导通时间。受控导通减少了开关电压的变化速率，它同连接散热片的源极一起，明 显减少了电磁干扰和系统噪声，使滤波器成本降到最低。 6. TOPSwitch具有完善的多种自动保护功能电路：过流限制、过压切断、欠压锁定、过热关闭、短路 保护等、 7. TOPSwitch－II的外围电路很简单，只需要十几只器件，就能制作高性能的小型电源。它的集成度 高，电路设计简化，比分立元件电路减少15～20只元件，并允许采用单面PCB板，可用于离线 反馈式、正向激励式和升压式功率因数校正等电源
图2-1 TOPSwitch简化外围电路与两种封装的外形图 Connected to SOURCE Pin AC N D SOURCE z C CONTROL Y Package(T。-22013) SOURCE国 B」 SOURCE (HV RIN CONTROL SOURCE aSOURCE(HV RTN) TOPSwitch SOURCE 6SOURCE(HV RIN ONTROL 5DRAIN P Package(DIP-8 P1-1351c91995 G Package(SMD-8
图2－1 TOPSwitch-II简化外围电路与两种封装的外形图
TOPSwitch器件三个引脚的功能简要如下 漏极脚( DRAIN):接输出管 MOSFET漏极,在启动工作时,经过内 部开关电流源提供内部偏置电流。该脚还是内部电流检测点。 控制脚( CONTROL):是误差放大器和反馈电流输入脚,以控制占空 系数。正常工作时内部分流调节器接通,提供内部偏置电流。该脚也接 电源旁路和自动再启动/补偿电容器 源极脚( SOURCE):再TO-220封装中,它是输出级 MOSFET的源极连 线,接直流高压和主变压器原边电路的公共端与参考点;在DIP封装中 它是原边控制电路公共端和参考点,并且有6个引出脚接地。 TOPSwitch-I器件是一种具有自身偏置和保护功能的变换器,它用 线性控制电流来改变占空比,能断开漏极输岀端。它利用CMOS和集成 尽可能多的功能来实现高效率。与双极管和分立元件电路相比,重要的 是CMOS减少了偏置电流,集成化使其省略了几个外部功率电阻器。它 们原设计用于电流采样或提供初始启动电流 如图2-3所示,在正常工作期间,内部输出级 MOSFET的占空比, 使随着控制脚电流的增大而线性地减小。为了执行所有必要的控制、偏 置和保护功能,漏极脚和控制脚分别完成下面所述的几项功能(可参见 图2-2和图2-5中的 TOPSwitch集成电路之定时脉冲波形与电压波形)
TOPSwitch器件三个引脚的功能简要如下： 漏极脚（DRAIN）：接输出管MOSFET漏极，在启动工作时，经过内 部开关电流源提供内部偏置电流。该脚还是内部电流检测点。 控制脚（CONTROL）：是误差放大器和反馈电流输入脚，以控制占空 系数。正常工作时内部分流调节器接通，提供内部偏置电流。该脚也接 电源旁路和自动再启动/补偿电容器。 源极脚（SOURCE）：再TO-220封装中，它是输出级MOSFET的源极连 线，接直流高压和主变压器原边电路的公共端与参考点；在DIP封装中， 它是原边控制电路公共端和参考点，并且有6个引出脚接地。 TOPSwitch-II器件是一种具有自身偏置和保护功能的变换器，它用 线性控制电流来改变占空比，能断开漏极输出端。它利用CMOS和集成 尽可能多的功能来实现高效率。与双极管和分立元件电路相比，重要的 是CMOS减少了偏置电流，集成化使其省略了几个外部功率电阻器。它 们原设计用于电流采样或提供初始启动电流。 如图2-3所示，在正常工作期间，内部输出级MOSFET的占空比， 使随着控制脚电流的增大而线性地减小。为了执行所有必要的控制、偏 置和保护功能，漏极脚和控制脚分别完成下面所述的几项功能（可参见 图2-2和图2-5中的TOPSwitch集成电路之定时脉冲波形与电压波形）
vc CONTROLO ⊙HERN SHEFVOWNG SHUNT REGLLATOR! AtTD-RESFART ERNOR AHPSFER SHUDO OscRATOR SRAR D ● SPURCE 图2-2内部功能方框图
图2－2 内部功能方框图
Auto-restart MAX Slope=PWi Gain g CD1 2.0 6 Ic(mA P-405 图2-3专空比与控制脚电流的关系曲线
图2－3 专空比与控制脚电流的关系曲线
5.7v Charging 已 RA提N laI Stetina C FC01 DiscHarging Charging c Discharging CT 5.7y 4.7V v 8 Cycies- 一二二一| 县RAN Syatchindy swvilclul Cr is the total externat capacitance connected to the conTRoL pin P1-955392=95 图2-41 OPS witch-2电路的起始工作波形
图2－4TOPS witch-2电路的起始工作波形
DRAIN VouT ue k0--+t… f+++ 图2-5 TOPSwitch-2在三种工作状态下的典型波形
图2－5 TOPSwitch-2在三种工作状态下的典型波形
1)控制脚电压vc的供给控制脚电压V是控制脚与源极脚之间的电源或者 置电压。二只外部 册极驱动电流。接到 寳器紧捨在控閣与源 数 间,,以提供所需 制回路的补偿。V被调整在两钟状态 式。滞后调整用于初始启动和过 流调整则用于分离占空比误差 在后动期间,控 电流由高压并关电 供娄舁樊製电閑綿摟乎庸液 脚和控制脚之间。电流源提供足够的电流供给控制电路,它也对总的外部电 行充电 首先Ⅴc升到较高的门限电压值(5,7V),此时高压电流源被关断,而脉 宽调制器和输出级晶体管则被激活,如图24(所示。在正常工作期间 输出电压可调节时),反馈控制电流提供了ⅴc电源电流。分流调节器可维持 在典型值 ,它是通过分流控制脚上的反馈电流实现的。该电流超 过流经PWM误差信号采样电阻器RE上的所需直流电源电流。当用于初级 的羟制回解动态阻抗与外部电阻值和电容器数值,共同确定了电源系 TOPSwitch-∏电路的起始工作波形如图2-4所示,图中给出了正常工作时 和自动再启动时的两种不同波形。 如果让控制脚的外部电容CT放电到较低的门限电平,那么输出级 MOSFET将被关断截止,此时控制电路进入一个低电流的准备状态。而高压 充电。在图25中可看到,充电电流具有 过接通和关断 高压电流源,滞后的自动再启动比较器可维持Vc值介于典型的47~57V窗口 范围内。自动再启动电路具有一个八分频计数器,它能阻止输出级 MOSFET 知道八个放电一充电周期 去为止 再启 典型 计数器 地限制 TOPSwitch的功萃损耗。自动再彦 动作用连续进行到输出电压再次变为可调节为止,如图25所示
◼ （1）控制脚电压Vc的供给 控制脚电压Vc是控制脚与源极脚之间的电源或者 偏置电压。一只外部旁路电容器紧接在控制脚与源极脚之间，以提供所需的 栅极驱动电流。接到该脚的总电容量CT又设置了自动再启动功能，也同样控 制回路的补偿。Vc被调整在两钟状态之一模式。滞后调整用于初始启动和过 载工作。分流调整则用于分离占空比误差信号，它来自控制电路的电源电流。 在启动期间，控制脚电流由高压开关电流源提供，该开关在IC内部接于漏极 脚和控制脚之间。电流源提供足够的电流供给控制电路，它也对总的外部电 容CT进行充电。 ◼ 首先Vc升到较高的门限电压值（5.7V），此时高压电流源被关断，而脉 宽调制器和输出级晶体管则被激活，如图2-4(a)所示。在正常工作期间（即当 输出电压可调节时），反馈控制电流提供了Vc电源电流。分流调节器可维持 Vc在典型值（5.7V），它是通过分流控制脚上的反馈电流实现的。该电流超 过流经PWM误差信号采样电阻器RE上的所需直流电源电流。当用于初级反 馈接法时，该脚的动态阻抗与外部电阻值和电容器数值，共同确定了电源系 统的控制回路补偿量。 ◼ TOPSwitch-II电路的起始工作波形如图2-4所示，图中给出了正常工作时 和自动再启动时的两种不同波形。 ◼ 如果让控制脚的外部电容CT放电到较低的门限电平，那么输出级 MOSFET将被关断截止，此时控制电路进入一个低电流的准备状态。而高压 电流源则被接通，并向外部电容再次充电。在图2-5中可看到，充电电流具有 图示的负极性，而放电电流则具有正极性。在图2-4(b)中，通过接通和关断 高压电流源，滞后的自动再启动比较器可维持Vc值介于典型的4.7~5.7V窗口 范围内。自动再启动电路具有一个八分频计数器，它能阻止输出级MOSFET 再次导通，知道八个放电－充电周期已经过去为止。通过把自动再启动占空 比减小到典型的5％，计数器能有效地限制TOPSwitch的功率损耗。自动再启 动作用连续进行到输出电压再次变为可调节为止，如图2-5所示
(2)带隙参考基准所有临界的 TOPSwitch内部电压,都由一个温度补偿的带隙 参考基准得出。该参考基准也用于产生一个温度补偿的电流源,它被微调节 在精确设置的振荡频率和调节M○SFT栅极的驱动电流 (3)振荡器内部振荡器对内部电容器线性地进行充电和放电,它在两个电压电 之间产生锯齿波形,并送往脉冲宽度调制器。该振荡器在每个周期开始时, 置位脉冲宽度调制器和电流限制闭锁器。在电源应用中选择100k额定频率, 可使电磁干扰最小,并使效率最高。微调电流基准可改进振荡频率精度 (4)脉冲宽度调制器脉冲宽度调制器提供电压型控制环,以驱动输出级 MOSFET,其占空比与流入控制脚的电流成反比例。该脚在RE两端产生一个 电压误差信号。RE两端的误差信号由一个典型角频率为7kHz的RC网络加以滤 波,以减少开关噪声的作用。该滤波误差信号与内部振荡器锯齿波相比较 定占空比的波 空制电流增加 空比则减小。由振荡器产生 的时钟信号置位一个寄存器,它使输出级功率管 MOSFET变为截止。 占空比是由内部振荡器的对称性能来调节。调制器导通时间最短,可保持 TOPSwitch的电流消隐不受误差信号的影响。注意到在占空比开始变化之前, 必须使注入控制脚的电流为最小值 (5)栅极驱动器设计栅极驱动器是在一个受控的速率时使输出级 MOSFET导通, 从而使共模电磁干扰减到最小。栅极驱动电流可微调节以改进精度
（2）带隙参考基准 所有临界的TOPSwitch内部电压，都由一个温度补偿的带隙 参考基准得出。该参考基准也用于产生一个温度补偿的电流源，它被微调节 在精确设置的振荡频率和调节MOSFET栅极的驱动电流。 （3）振荡器 内部振荡器对内部电容器线性地进行充电和放电，它在两个电压电 平之间产生锯齿波形，并送往脉冲宽度调制器。该振荡器在每个周期开始时， 置位脉冲宽度调制器和电流限制闭锁器。在电源应用中选择100kHz额定频率， 可使电磁干扰最小，并使效率最高。微调电流基准可改进振荡频率精度。 （4）脉冲宽度调制器 脉冲宽度调制器提供电压型控制环，以驱动输出级 MOSFET，其占空比与流入控制脚的电流成反比例。该脚在RE两端产生一个 电压误差信号。RE两端的误差信号由一个典型角频率为7kHz的RC网络加以滤 波，以减少开关噪声的作用。该滤波误差信号与内部振荡器锯齿波相比较， 产生一定占空比的波形。当控制电流增加时，占空比则减小。由振荡器产生 的时钟信号置位一个寄存器，它使输出级功率管MOSFET变为截止。 占空比是由内部振荡器的对称性能来调节。调制器导通时间最短，可保持 TOPSwitch的电流消隐不受误差信号的影响。注意到在占空比开始变化之前， 必须使注入控制脚的电流为最小值。 （5）栅极驱动器 设计栅极驱动器是在一个受控的速率时使输出级MOSFET导通， 从而使共模电磁干扰减到最小。栅极驱动电流可微调节以改进精度
6)误差放大器在初级反馈应用时,分流调节器也能完成一个误差放大器的功能 馫酒瑙益器蚩舸栲姗黁鼋媗萇蹙参蓀蓊儁挹雰藠電槳褶攆僜腔、ε菴蕉鼇 平上。超过电源电流的控制脚电流,则由分流调节器加以分离,并作为误差信号流过 RE。 ⑦)逐个周期式电流限制逐个周期式峰值漏极电流限制电路,是利用输出级 MOSFE 通电阻作为采样电阻器。电流限制比较器 级 MOSFET导通状态是 的漏一源电压与门限电压相比较。高的漏极电流使VDS超过门限电压,并使输出级的 MOSFET截 时钟周期开始 电流限制比较器的门限电压是受温度 偿的,由于温度影响改变输出级 MOSFET的导通电阻RDS(ON)值,它使有效峰值电 流限制的变化减到最 在输出级 MOSFET导通之后的一个短时间里,前沿消隐电路将阻止电流限制比较 类将宋要造奖异覃结菜由原边电容和副边整流器反向恢复引起的电流 ■(8)关闭与自动再启动为了使 TOPSwitch的功耗降到最低,如果维持输出可调节的条 1则关闭与自动再启动电路,是在点空比为5%典型值时使电源导通和截止,当丧失 调节能力时,将中断外部电流进入控制脚。Vc地调节可使分流状态变为滞后的自动再 故障条件消除、电源输出变为可调节时,Vc的调节再次变为分流状态 则电源的正常工作又重新开始 ■(9)过热保护温度保护是由一个精密的模拟电路提供的,当结点温度超过热关闭温 度时(典型值为135摄氏度),该电路将使输出级 MOSFET截止。激活加电复位电路, 可通过除和忪复输入軎源来进行,或者瞬回进入控制脚的:(于加电 电 witch 被调节在滞后状态,并且在控制脚出现 7V(典型值)的锯齿波电 ■(10)髙压偏置电流源该电流源从漏极脚对T○ PSwitch提供偏置,并在启动或者滞 后工作期间对控制脚外部电容CI进行充电。滞后工作出现在自动再启动和过热封锁关 闭期间。该电流源是按近似35%的有效占空比被开通和切断 是由控制脚 充电电流I与放电电流(ICD1+ICD2)之比来确定的 输出级 MOSFET被开通时, 在正常工作期间该电流源则被切断
◼ （6）误差放大器 在初级反馈应用时，分流调节器也能完成一个误差放大器的功能。 该分流调节器的电压，是由温度补偿的带隙参考基准电压精确地加以提供的。误差放 大器的增益，则由控制脚的动态电阻来设定。控制脚把外部电率信号箝位在Vc电压电 平上。超过电源电流的控制脚电流，则由分流调节器加以分离，并作为误差信号流过 RE。 ◼ （7）逐个周期式电流限制 逐个周期式峰值漏极电流限制电路，是利用输出级 MOSFET的导通电阻作为采样电阻器。电流限制比较器把输出级MOSFET导通状态是 的漏－源电压与门限电压相比较。高的漏极电流使VDS超过门限电压，并使输出级的 MOSFET截止，直到下一个时钟周期开始之前。电流限制比较器的门限电压是受温度 补偿的，由于温度影响改变输出级MOSFET的导通电阻RDS(ON)值，它使有效峰值电 流限制的变化减到最小。 ◼ 在输出级MOSFET导通之后的一个短时间里，前沿消隐电路将阻止电流限制比较 器工作。因前沿消隐时间已被确定，故由原边电容和副边整流器反向恢复引起的电流 尖峰，将不会造成开关脉冲过早地结束。 ◼ （8）关闭与自动再启动 为了使TOPSwitch的功耗降到最低，如果维持输出可调节的条 件，则关闭与自动再启动电路，是在占空比为5％典型值时使电源导通和截止。当丧失 调节能力时，将中断外部电流进入控制脚。Vc地调节可使分流状态变为滞后的自动再 启动状态。当故障条件消除、电源输出变为可调节时，Vc的调节再次变为分流状态， 则电源的正常工作又重新开始。 ◼ （9）过热保护 温度保护是由一个精密的模拟电路提供的，当结点温度超过热关闭温 度时（典型值为135摄氏度），该电路将使输出级MOSFET截止。激活加电复位电路， 可通过消除和恢复输入电源来进行，或者瞬间进入控制脚的、低于加电的复位门限电 压，可是阀门复位，并且让TOPSwitch恢复正常的电源工作状态。当电源被关闭时，Vc 则被调节在滞后状态，并且在控制脚出现一个4.7~5.7V(典型值)的锯齿波电压。 ◼ （10）高压偏置电流源 该电流源从漏极脚对TOPSwitch提供偏置，并在启动或者滞 ◼ 后工作期间对控制脚外部电容CT进行充电。滞后工作出现在自动再启动和过热封锁关 闭期间。该电流源是按近似35％的有效占空比被开通和切断。这一占空比是由控制脚 充电电流Ic与放电电流（ICD1＋ICD2）之比来确定的。当输出级MOSFET被开通时， 在正常工作期间该电流源则被切断