[分享]单片开关电源的发展及其应用

0

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、最佳性能指标、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，而电源效率显著提高，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 集成开关电源的发展简况

    开关电源被誉为高效节能电源，它代表着稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品。近20多年来，集成开关电源沿着下述两个方向不断发展。第一个方向是对开关电源的核心单元——控制电路实现集成化。1997年国外首先研制成脉宽调制（PWM）控制器集成电路，美国摩托罗拉公司、硅通用公司（Silicon General）、尤尼特德公司（Unitrode）等相继推出一批PWM芯片，典型产品有MC3520、SG3524、UC3842。90年代以来，国外又研制出开关频率达1MHz的高速PWM、PFM（脉冲频率调制）芯片，典型产品如UC1825、UC1864。第二个方向则是对中，小功率开关电源实现单片集成化。这大致分两个阶段：80年代初意－法半导体有限公司（SGS－Thomson）率先推出L4960系列单片开关式稳压器。该公司于90年代又推出了L4970A系列。其特点是将脉宽调制器、功率输出级、保护电路等集成在一个芯片中，使用时需配工频变压器与电网隔离，适于制作低压输出（5.1~40V）、大中功率（400W以下）、大电流（1.5A~10A）、高效率（可超过90%）的开关电源。但从本质上讲，它仍属DC/DC电源变换器。

    1994年，美国动力（Power）公司在世界上首先研制成功三端隔离式脉宽调制型单片开关电源，被人们誉为“顶级开关电源”。其第一代产品为TOPSwitch系列，第二代产品则是1997年问世的TOPSwitch-II系列。该公司于1998年又推出了高效、小功率、低价格的四端单片开关电源tinySwitch系列。在这之后，Motorola公司于1999年又推出MC33370系列五端单片开关电源，亦称高压功率开关调节器（HighVoltage Power Switching Regulator）。目前，单片开关电源已形成四大系列、近70种型号的产品。

    2 TOPSwitch-11系列三端单片开关电源

    根据封装形式，TOPSwitch－II可划分成三种类型：TOP221Y~227Y（TO-220封装），TOP221P~224P（DIP-8封装），TOP221G~224G（SMD-8封装），产品分类详见表1。其中以TOP227Y的输出功率为最大。

    2.1 TOPSwitch-11的性能特点

    (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，使用安全可靠。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，使器件功耗显著降低。

    (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。

    2.2 典型应用

    TOPSwitch-II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。

    2.3 电路设计要求 ?

    (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。

    3 TinySwitch系列四端开关电源

    TinySwitch是Power公司新推出的一种高效、小功率四端单片开关电源。因所构成开关电源的体积很小，故称TinySwitch?微型开关?系列。它比三端单片开关电源增加一个使能端，使用更加方便灵活。TinySwitch系列性优价廉，外围电路非常简单，特别适合制作10W以下的微型开关电源或待机电源，是取代效率低、体积较大的小功率线性稳压电源的理想产品。

    3.1TinySwitch的性能特点 ?

    (1) TinySwitch有DIP-8、SMD-8两种封装形式、6种型号。产品分类见表2。尽管采用8脚封装，实际上只有四个脚：S、D、BP（相当于控制端）、EN（使能端），因此等效于四端器件。利用使能端可从外部关断MOSFET，并且在快速上电时输出电压无过冲现象、掉电时MOSFET也无频率倍增现象。 ?

    (2)?高效、小功率输出。选220V交流电源时，其空载功耗低于60mW。它适宜制作0~10W的小功率、低成本开关电源，比线性稳压电源大约可节电38%。 ?

    (3)?采用开／关控制器来代替PWM对输出电压进行调节。开／关控制器可等效为脉冲频率调制器（PFM），其调节速度比普通的PWM更快，对纹波抑制能力更强。 ?

    (4)?与TOPSwitch-II相比，它在电路设计上颇具特色。第一，交流输入端可省掉EMI滤波器；第二，初级保护电路不需使用TVS，仅用RC电路即可吸收尖峰电压；第三，不用反馈线圈及相关电路，也不加回路补偿元件；第四，芯片内部增加了使能检测与逻辑电路。

    3.2TinySwitch的应用

    该系列产品适合制作手机电池恒压恒流充电器、IC卡付费电度表中的小型开关电源模块，以及微机、彩电、摄录像机等高档家用电器中的待机电源。例如，目前生产的大屏幕彩电均具有待机功能，使用遥控器关闭电源之后，即进入待机状态。此时彩电中开关电源的功率开关管呈关断状态，改由待机电路继续给CPU供电，使整机功耗降至最低。由TNY253P可构成5V、1.3W的彩电待机电源。它利用彩电主电源产生的直流高压作输入电压，的允许范围是120~375V（视彩电型号而定），而Vo=+5V。使用一片TNY255P则可构成PC机的5V、2A待机电源。由TNY254P构成的+6.7V、3.6W手机电池恒压、恒流充电器，能在85~265V交流输入电压范围内，对6V镍氢（NIMH）电池充电。此外，TinySwitch还适合制作小型家电（如随身听）的适配器（adapter），将220V交流电源变成所需直流稳压电源。这种适配器不仅没有笨重的变压器，而且效率高、体积小、稳压性能好，能完全取代目前市售的各种插头式AC/DC变换器。

    4 MC33370系列五端单片开关电源

    MC33370系列包括MC33369~MC33374五种规格、17种型号。以TO-220五脚直弯式封装为例，其产品分类见表3。表中的RDS（ON）表示漏－源极导通电阻，ID（PK）代表漏极峰值电流。

    1 MC33370的性能特点

    (1)?它比TOPSwitch-II增加了电源端（Vcc）和状态控制器的输入端（State Control input）；芯片内部增加了欠压锁定比较器、外部关断电路和可编程状态控制器。其性价比要优于TOPSwitch-II，而外围电路更趋简单。 ?

    (2)?利用可编程状态控制器及外部模式选择电路，能实现多种控制方式（包括手动控制、由微控制器MCU操作、数字电路控制、禁止操作等），实现工作状态与备用状态的互相切换。

    ?(3)?内部集成了一只被称为“敏感场效应管（Sense FET）”的电流传感式功率开关管，用它能无功率损耗地实时检测漏极电流ID的大小，进行过流保护。 ?

    (4)?当交流电源为固定值或变化率不超过±20%时，允许去掉高频变压器的反馈线圈以及相关的高频滤波电路。这有助于进一步简化外围电路，降低开关电源的成本。为满足特殊应用的需要，还可给开关电源增加软启动功能。

    (5)?电源效率高。由它构成开关电源或电源模块的效率可达80%以上。在备用状态下静态功耗低至几十至几百毫瓦。 ?

    (6)?占空比调节范围更宽，可达0.1~74%。脉宽调制增益的典型值为-14%／mA。芯片的工作结温是-40~150℃，过热保护温度定为157℃（TOPSwitch-II仅为135℃）。

    4.2 MC33370的应用

    MC33370系列可广泛用于办公自动化设备、仪器仪表、无线通信设备及消费类电子产品中，构成高压隔离式AC/DC电源变换器。在作特殊应用时，还可去掉高频变压器的反馈绕组及快恢复二极管、滤波电容，改用稳压管或双极型晶体管、MOS管来进行串联调整。此外，利用这种芯片还能制作高压步进电源。

0