1、單片開關電源的應用及發展    摘要：目前中、小功率開關電源正朝著單片集成化的方向發展。本文詳細闡述近年來問世的各種單片開關電源的性能特點及典型應用。單片開關電源集成電路具有高集成度、高性價比、最簡外圍電路、最佳性能指標、能構成高效率無工頻變壓器的隔離式開關電源等優點。它于90年代中、后期相繼問世后，便顯示出強大的生命力，目前它成為國際上開發中、小功率開關電源、精密開關電源及電源模塊的優選集成電路。由它構成的開關電源，在成本上與同摘 要： 目前中、小功率開關電源正朝著單片集成化的方向發展。本文詳細闡述近年來問世的各種單片開關電源的性能特點及典型應用。單片

2、開關電源集成電路具有高集成度、高性價比、最簡外圍電路、最佳性能指標、能構成高效率無工頻變壓器的隔離式開關電源等優點。它于90年代中、后期相繼問世后，便顯示出強大的生命力，目前它成為國際上開發中、小功率開關電源、精密開關電源及電源模塊的優選集成電路。由它構成的開關電源，在成本上與同等功率的線性穩壓電源相當，而電源效率顯著提高，體積和重量則大為減小。這就為新型開關電源的推廣與普及，創造了良好條件。 集成開關電源的發展簡況開關電源被譽為高效節能電源，它代表著穩壓電源的發展方向，現已成為穩壓電源的主流產品。近20多年來，集成開關電源沿著下述兩個方向不斷發展。第一個方向是對開關電源的核心單元控制電路實現

3、集成化。1997年國外首先研制成脈寬調制（PWM）控制器集成電路，美國摩托羅拉公司、硅通用公司（Silicon General）、尤尼特德公司（Unitrode）等相繼推出一批PWM芯片，典型產品有MC3520、SG3524、UC3842。90年代以來，國外又研制出開關頻率達1MHz的高速PWM、PFM（脈沖頻率調制）芯片，典型產品如UC1825、UC1864。第二個方向則是對中，小功率開關電源實現單片集成化。這大致分兩個階段：80年代初意法半導體有限公司（SGSThomson）率先推出L4960系列單片開關式穩壓器。該公司于90年代又推出了L4970A系列。其特點是將脈寬調制器、功率輸出級、

4、保護電路等集成在一個芯片中，使用時需配工頻變壓器與電網隔離，適于制作低壓輸出（5.140V）、大中功率（400W以下）、大電流（1.5A10A）、高效率（可超過90%）的開關電源。但從本質上講，它仍屬DC/DC電源變換器。1994年，美國動力（Power）公司在世界上首先研制成功三端隔離式脈寬調制型單片開關電源，被人們譽為“頂級開關電源”。其第一代產品為TOPSwitch系列，第二代產品則是1997年問世的TOPSwitch-II系列。該公司于1998年又推出了高效、小功率、低價格的四端單片開關電源TinySwitch系列。在這之后，Motorola公司于1999年又推出MC33370系列五端

5、單片開關電源，亦稱高壓功率開關調節器（HighVoltage Power Switching Regulator）。目前，單片開關電源已形成四大系列、近70種型號的產品。 TOPSwitch-11系列三端單片開關電源根據封裝形式，TOPSwitchII可劃分成三種類型：TOP221Y227Y（TO-220封裝）， TOP221P224P（DIP-8封裝），TOP221G224G（SMD-8封裝），產品分類詳見表。其中以TOP227Y的輸出功率為最大。2.1 TOPSwitch-11的性能特點(1) TOPSWitch-II內部包括振蕩器、誤差放大器、脈寬調制器、門電路、高壓功率開關管（MOSF

6、ET）、偏置電路、過流保護電路、過熱保護及上電復位電路、關斷自動重啟動電路。它通過高頻變壓器使輸出端與電網完全隔離，使用安全可*。它屬于漏極開路輸出的電流控制型開關電源。由于采用CMOS電路，使器件功耗顯著降低。(2) 只有三個引出端：控制端C、源極S、漏極D，可同三端線性穩壓器相媲美，能以最簡方式構成無工頻變壓器的反激式開關電源。為完成多種控制、偏置及保護功能，C、D均屬多功能引出端，實現了一腳多用。以控制端為例，它具有三項功能：該端電壓VC為片內并聯調整器和門驅動級提供偏壓；該端電流IC能調節占空比；該端還作為電源支路與自動重啟動補償電容的連接點，通過外接旁路電容來決定自動重啟動的頻率，并

7、對控制回路進行補償。(3) 輸入交流電壓的范圍極寬。作固定電壓輸入時可選220V±15%交流電，若配85265V寬范圍變化的交流電，最大輸出功率要降低40%。開關電源的輸入頻率范圍是47440Hz。(4) 開關頻率典型值為100KHz，占空比調節范圍是1.7%67%。電源效率為80%左右，最高可達90%，比線性集成穩壓電源提高近一倍。其工作溫度范圍是070芯片最高結溫Tjm=135。 (5) TOPSwitch-II的基本工作原理是利用反饋電流IC來調節占空比D，達到穩壓目的。舉例說明，當由于某種原因致使開關電源的輸出電壓VOT時，經過光耦反饋電路就使Ic誤差電壓VrtDVo，使Vo

8、保持不變。反之亦然。(6) 外圍電路簡單，成本低廉。外部僅需接整流濾波器、高頻變壓器、初級保護電路、反饋電路和輸出電路。采用此類芯片還能降低開關電源產生的電磁干擾。2.2 典型應用TOPSwitch-II可廣泛用于儀器儀表、筆記本電腦、移動電話、電視機、VCD和DVD、攝錄像機、電池充電器、功率放大器等領域，并能構成各種小型化、高密度、低成本的開關電源模塊。此外，它還適合構成后備式開關電源，非隔離式開關電源、恒流恒壓輸出開關電源，供無線通信用的DC/DC電源變換器、恒功率調節器、功率因數補償器等。2.3 電路設計要求 (1)TOPSwitch-II的反饋電路中需配光電耦合器與輸出電路隔離。設計

9、精密開關電源時，還應增加一片TL431型可調式精密關聯穩壓器，由它構成外部誤差放大器，來代替取樣電路中的穩壓管。精密開關電源的電壓調整率Sv、電流調整率Sl均可達±0.2%左右，接近于線性集成穩壓電源的指標。 (2)應選用電流傳輸比（CTR）能線性變化的光電耦合器，如PC817A，NEC2501、6N137等型號，不推薦采用4N25、4N35等4N××型普通光耦。后者的線性度差，傳輸模擬信號時會造成失真，影響開關電源的穩壓性能。 (3)高頻變壓器的初級必須設置保護電路，用以吸收漏感引起的尖峰電壓，確保MOSFET不被損壞。這種保護電路應并聯在初級上，具體有4種設計方案：由瞬變電壓抑制二極管（TVS）和超快恢復二極管（SRD）組成鉗位電路；由TVS與硅整流管（VD）構成的鉗位電路；由阻容元件與SRD構成的吸收電路；由阻容件與VD構成的吸收電路。上述方案中以的效果最佳，能充分發揮TVS響應速度極快、可承受高能量瞬態脈沖之優點。方案次之。 (4)使用芯片時需加合適的散熱器。對于TO-220封裝，可直接裝在小散板上。對于DIP-8和SMD-8封裝的可將4個源極焊在面積為2.3的印制板敷銅箔上代替