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1、 可轻松地与光电元件和初级反馈进行联接 支持连续或间断的运作模式 描述TOPSwitch系列（仅用三个引脚）实现了离线开关式控制系统所必需的所有功能：带受控导通门驱动器的高压N沟道功率MOSFET ；集成了100KHz振荡器的电压模式PWM控制器；高压启动偏置电路；基准电压参考点；偏置并联稳压器/误差放大器 用于环路补偿和故障保护电路。相比 离散的MOSFET和控制器或自振荡（RCC）开关转换器的解决方案，TOPSwitch集成电路可以降低总成本，元件数量，尺寸，重量同时提高了效率和系统的可靠性。这些设备用于在0到100瓦（普通0到50瓦）范围内提供100/110/230伏离线电源和在0到15

2、0瓦范围提供230/277伏离线功率因数校正（PFC）功能。图1 典型应用图2 功能块图引脚功能描述漏引脚输出MOSFET的漏极连接。在启动过程中通过一个内置的开关高压电流源提供内部偏置电流，内部电流检测点。控制引脚误差放大器和用于工作周期控制的反馈电流输入引脚 。内部并联稳压器在正常运行期间提供内部 偏置电流。关断触发脉冲输入。它也可以用来作为电源旁路和自动重新启动/补偿电容连接点。源极引脚MOSFET的电源输出接点。一次侧电路的公共点，能量回馈和参考点。图3 管脚排列TOPSwitch系列的功能描述图4 占空比与控制极引脚电流的关系TOPSwitch是一个具有开漏输出结构的自偏置和自我保护

3、的线性频宽电流控制器。 CMOS的使用和最大化的功能集成度使之更高效。相比双极性或者离散解的方法CMOS极大地减小了偏置电流。它的集成性消除了用于电流检测和/或提供初始启动偏置电流的外部功率电阻器如图4所示，在正常运行期间，内部输出MOSFET的占空比随着控制极引脚电流的增大而呈线性减小。为了实现所有要求的控制、偏置和保护功能，漏极和控制极引脚都分别执行如下所描述的功能。参见图2 的方框图和图6 TOPSwitch集成电路的时间电压波形图。控制电压供应控制引脚电压VC 是控制器和驱动电路的电压源或偏置电压源。紧密联系控制极和源极引脚的外部旁路电容是提供门驱动电流所必要的。图5 正常运行（a）和

4、自动重启（b）的初始阶段波形连接于此引脚的总电容（CT）同时也设置了自动重启时间和控制回路补偿。Vc被限定于两种运行模式之一。 滞后调节用于初始启动和过载运行。分流稳压器用于分散工作周期内来自于控制电路的电源电流的误差信号。在启动时，VC电流来自于一个内在地连接于漏极和控制极引脚的高压开关电流源。电流源）提供.足够的电流以供应控制电路系统同时为外部总电容器（CT）充电。TOPSwitch系列功能描述（续）如图5（a）所示， VC第一次达到上限值时，高压电流源被关闭，同时PWM调节器和功率晶体管被激活。在正常运行期间（调节输出电压时）反馈控制电流为VC提供电流。当控制引脚的反馈电流超过PWM误差

5、检测电阻Re上的直流电流时，并联稳压器通过分流使VC保持在5.7伏。当用于初级反馈结构时,这个引脚的低动态阻抗（ZC）设定误差信号放大器的增益。控制极引脚的动态阻抗连同外部电阻和电容共同决定了电源系统的控制环路补偿。当控制极引脚的外部电容（CT）需要放电到下限值时，功率MOSFET会关闭并且控制电路会置于低电流的待机模式。高压电流源开启，并再次为外部电容充电。如图6，充电电流显示为正极性，放电电流显示为负极性。如图5（b）所示，迟滞自动重启比较器通过开启和关闭高压电流源，将VC限定在4.7到5.7伏的范围内。自动重启电路有一个8位分频计数器，这个分频计数器可以防止功率MOSFET在8个充放电周

6、期完成前再次开启。通过缩短自动重启周期至原来的5%，这个计数器有效的降低了TOPSwitch的功耗。自动重启不断循环，直到再次出现输出电压调节。带隙基准TOPSWITCH的所有的内部临界电压都来源于一个温度补偿带隙参考电压。这个参考电压同时用来产生一个温度补偿电流源，并将之斩波以精确地设定振荡器的频率和MOSFET的栅极驱动电流。内部振荡器在两个电压级之间对内部电容进行线性充放电，从而为脉宽调制器提供锯齿波电压源。在每一个周期的开始，振荡器对脉宽调制器和锁存电流进行设置。将额定频率选定为100kHz，可以降低电磁干扰和提高能量利用率。对基准电流源加以整定可以提高振荡器频率的精度。脉宽调制器脉宽

7、调制器用一个工作周期（与流经控制极引脚的电流成反比）驱动功率MOSFET实现了电压型控制环路。通过电阻Re的误差信号被Rc网路以7kHz的角频率过滤掉，从而降低了开关噪声的影响。过滤后的误差信号与内部振荡器的锯齿型电压相比较，来产生工作周期的电压波形。工作周期的占空比随着控制电流的增大而降低。来自于振荡器的时钟信号设定了一个开启功率MOSFET的锁存信号。脉宽调制器关闭功率MOSFET时，重新设定锁存信号。最大占空比则是由内部震荡器的对称性决定的。脉宽调制器有一个最小的作用时间以保持TOPSwitch的电流消耗独立于误差信号。注意，当占空比改变前最小电流必须到达控制极引脚。栅极驱动器栅极驱动器

8、设计目的是，用一个可控速率开启功率MOSFET以尽量减少共模电磁干扰。栅极驱动电流经整定以提高其精确性。误差放大器在初级反馈应用中，并联稳压器也可以起误差放大器的作用。并联稳压器电压只来自于温度补偿的带隙基准电压。误差信号放大器的增益由控制及引脚的动态电阻决定。控制极引脚夹外部电路向Vc发出电压等级信号。当控制极引脚电流超过电流源电流时，将被并联稳压器分流并作为误差信号流经Re。逐周期电流限制出现周期性峰值的漏极限流电路使用功率MOSFET的导通电阻作为检测电流。电流限幅仪将功率MOSFET的通态漏极源电压VD（ON）与临界电压相比较。过高的漏极电流会使VDS（ON）超过临界电压，并关闭功率M

9、OSFET直到下一个时钟周期的开始。由于温度的变化而导致的功率MOSFET RD（ON）的变化，而RD（ON）的变化会引起有效峰值电流的波动。电流限幅仪的临界电压正是减弱这种波动的温度补偿。前沿闸电路会在功率MOSFET开启后较短的时间内对电流限幅仪加以限制。对前沿截止时间提前设定，这样由初级侧电容和次级侧整流器的反向恢复时间引起的电流脉冲尖波将不会使开关脉冲过早终止。关断/自动重启为了尽量降低TOPSwitch的功率损耗，当失控状态持续存在的话，关断/重启电路将会以20倍于正常状态的频率通断电源供应。失控状态将中断外部电流流经控制极引脚。如上所述，VC的调节将由分流模式转变为滞后自动重启模式

10、。当故障状态清除以后，电源输出转为可控，VC调节恢复分流模式，电源恢复正常运行。闭锁关断输出过电压保护被控制极引脚的强电流脉冲激活。锁存器一旦设定以后，它将会关闭TOPSwitch的输出。通过清除和重新储存输入能量来激活上电复位电路，或者瞬时将控制极引脚电流降到上电复位的临界值以下，同时将TOPSwitch置于正常运行状态下。当电源被锁定以后,VC将被控制在滞后模式。过热保护热保护由一个精准的模拟电路来提供,此电路将在节点温度超过热关断温度值（一般为145摄氏度）的时候关闭MOSFET。当电源被锁定以后,VC将被置于滞后模式。高压偏置电流源在启动或者之后运行时,这个电流源使TOPSwitch偏

11、离漏极引脚,并为控制极引脚连接的外部电容（CT）充电。滞后运行出现在自动重启和闭锁关断的时候。这个电流源以有效周期大约35%的时间开断。这个工作周期由控制引脚的冲电电流（IC）和放电电流（ICD1和ICD2）的比率来决定。当功率MOSFET切换的时候，这个电流源会在正常运行时关断。图6 正常运行（1）、自动重启（2）、闭锁关断（3）和掉电重启（4）的典型波形电路工作介绍初级反馈调节图7所示电路是一个简单的5伏、5瓦的偏置电源，用于TOP200。这个通用反馈输入电源采用来自变压器偏置绕组的初级端调节。此方法最适于在绝缘要求低和运行负载变化范围窄的情况下的应用。在负载为额定载的10% 到 100%

12、之间时，电源负载调节达5%或者更精确是能够达到的。电压反馈从变压器（T1）的偏置绕组获得，这样就不再需要光耦合器和次级误差放大器了。高压电流加到T1的一次绕组上。变压器一次侧的另一边由TOP200 里集成的高压MOSFET晶体管（U1）驱动。TOP200的内部振荡器规定了电路以100kHz的转换速度运行。钳位电路由VR1实现，D1则将由变压器漏电感引起的前沿电压尖峰限制在一个安全值上。二次绕组经D2、C2、C3、L1整流和滤波来产生5伏的输出电压。T1偏置绕组的输出电压经过了D3、R1和C5的整流和滤波。C5上的电压由U1来控制，并且由U1控制引脚的5.7伏内置并联稳压器决定。当C5上的整流偏

13、置电压开始超过并联稳压器的电压时，电流将会流入控制引脚。在达到稳定工作点之前，不断增长的控制引脚电流会缩短工作周期。输出电压和偏置电压成正比，比例由输出线圈和偏置绕组的变比确定。C5用来绕过控制引脚。C5还通过分流控制引脚动态阻抗上的交流电流为电源提供环路补偿，同时决定了启动和重启状态下自动重启的频率。参看表DN-8，获取更多有关TOP200在偏置电源方面应用的信息。图7 基于TOP200的包含最少元件的5伏、5瓦偏置电源原理图图8 基于TOP202和简单光耦合器反馈的15瓦通用输入电源原理图简单光耦反馈图8所示电路时一个7.5伏、15瓦的二级调节回扫电源，该电源实用的TOP202运行于85到

14、265伏的交流电压下。通过实用光耦合器和次级稳压二极管改良了输出电压精度和图7所示电路的控制。此电路通常的运行电压等级和图7中所描述的一样。输入电压经过了BR1和C1的整流和滤波。L2、C6和C7降低了发射电流。偏置绕组经D3和C4的整流和滤波产生了11伏的额定偏置电压。稳压二极管（VR2）电压和光耦合器中LED的前向电压共同决定了输出电压。R1、光耦合电流传输比和TOPSwitch控制电流工作周期传递函数设定了直流控制回路增益。C5和控制引脚的动态阻抗以及电容的等效串联电阻值建立了一个控制回路零点。当电流过低时，R2和VR2提供小负荷电流。参看DN-11，以获得更多有关TOP202在低耗、1

15、5瓦通用电源方面应用的信息。精确光耦反馈图9所示电路是一个高精度、15伏、30瓦的二次调节回扫电源，该电源工作在85到265伏的交流电压下。一个TL431并联稳压器直接检测并精确调节输出电压。通过调整由R4和R5组成的电阻分割器，能够对有效输出电压进行微调。其它输出电压可以通过调整变压器的变比和分压器的分压比来进行调整。这个电路的一般的输入运行周期和电压等级和图7和图8中所描述的一样。R3和C5调节频率响应。TL431（U2）通过控制光耦合器LED的电流（和TOPSwitch的占空比）调节输出电压，以维持TL431输入引脚的平均电压在2.5伏。R4和R5组成的电阻分割器决定实际的输出电压。C9

16、通过衰减TL431的高频增益以达到稳定运行的目的。参考应用注释AN-14，获得更多有关的信息。图9 基于TOP204和精确光耦合器反馈的30瓦通用电源原理图 图10 基于TOP202的交流65瓦、230伏输入型功率因数校正电路图电路工作（续）升压型PFC预调节器TOPSwitch也可以用作一个频率固定、断续模式的升压型预调节器，在一些应用上（例如电源和电子镇流器）改善功率因数和总谐波失真（THD）。图10所示的电路，运行于230伏交流电压下，并可以在410伏直流电压下以功率因数超过0.98和总谐波失真8%提供65瓦的功率。桥式整流器BR1对交流输入电压进行全波整流。L1、D1、C4和TOPSw

17、itch共同决定了升压型校正调节器的功率等级。 C2可以防止反向电流通过TOPSwitch的体二极管，此电流是由升压电感和寄生电容产生的角型连接线电压引起的。R1产生了一个与经即时整流的交流输入电压（此电压能够直接改变工作周期）成比例的预补偿电流。当C2对工频预补偿电流失去滤波作用时，它可以对高频开关电流进行滤波。R2可以将预补偿电流和大型滤波电容C3之间的耦合作用去除，以预防平均效应（此平均效应会使总谐波失真增加）的产生。高频噪声电流能够引起预补偿电流的误差，而C1可以将之滤除。当电源首次接通后，C3会在TOPSwitch启动之前被充电至5.7伏的额定电压。 之后，C3为TOPSwitch提

18、供偏置电流，直到输出电压整定完毕。当输出电压整定完毕，串联的稳压二极管VR1和VR2开始启动，驱动电流流入TOPSwitch的控制引脚，并直接控制工作周期。C3和R3共同对反馈信号进行低通滤波，以防止变化的占空比对输出工频纹波电压的影响。参考注释DN-7，获得更多有关信息。核心应用问题使源极引脚足够短。对控制引脚的旁路电容用开尔文连接，连接到源极引脚。如图11，对源极引脚使用单点接地技术。使峰值电压最小化，同时在漏极电压关断时响铃。用一个稳压二极管或者瞬态电压抑制二极管钳住漏极电压。在实验时不要将TOPSwitch设备插入工作状态下的集成电路插孔。外部的控制引脚电容可以产生一个足够大的冲击电流

19、，以触发关断锁存器，这样TOPSwitch就被关闭了。某些情况下，外供偏置电压或者进入控制引脚的电流，能够将TOPSwitch无限期地保持在八个重启周期其中之一，防止其启动。把控制引脚和源极引脚短路将会复位TOPSwitch。在进行台架评定时，为了避免这个问题，我们推荐，在漏极电压使用之前打开VC电源。在较低输入电压（小于20伏）时，当重启时控制引脚电流非常小。这种输入电压会延长重启周期，（见集成电路与漏极电压特性曲线）。AC电源的短期中断会引起TOPSwitch在再次启动前进入数八重启周期。这是因为，储能电容并没有完全放电，并且控制引脚的电容也没有放电至引脚的内置复位电压一下。在某些情况下，

20、基于最小化的工作时间，为了将一个轻载或者空载输出电压维持在要求的方位之内，最小负载是必要的。想了解有关TOPSwitch系列其他的应用，请参考AN-14。图11 TOPSwitch的建议布局附注：1. 对于负值规格，负温度系数对应于随温度增加而幅值增加，正温度系数对应于随温度增加而幅值降低。2. 它可以在一个远低于36伏的漏电压下启动和运行TOPSwitch.然而，如此一来，控制引脚电流会减小，这会对启动时间、重启频率和工作周期产生影响。参考控制引脚充电电流（IC）的特性曲线图和漏极电压的低电压运行特性曲线图。图14 TOPSwitch通用测试电路关于电气特性评价的台架试验应注意的事项。当TO

21、PSwitch检测自身外部电源时,下面的预防措施必须要做好。图14所示的原理图可作为试验室测试TOPSwitch时的参考。当漏极电源开启时,这部分将进入自动重启模式。控制引脚的电压将会以一个较低的频率在4.7伏和5.7伏之间震荡,同时每当经历八个这样的震荡周期漏极就会被打开。当处于这种自动重启模式的时候,如果控制引脚电源被打开,控制引脚的震荡将只有12.5%的几率处于正确的状态（漏极激活状态）,如此一来,连续的漏极电压波形才可能被检测到。当连续的漏极电压波形被检测到时,我们建议,首先打开VC电源,接着再打开漏极电源。处于正确状态仅有12.5%是由8:1计数器引起的。典型的工作曲线典型工作曲线（续）PI公司保留改进产品以提高其可靠性和工艺性的权利。PI公司不承担任何关于所述装置和电路的使用所引发的责任。证券投资商标和TOPSwitch已由PI公司注册。Copyright 1994, Power Integrations, Inc. 477 N. Mathilda Avenue, Sunnyvale, CA 94086