TOPSwitch器件及其在开关电源功率因数校正电路的应用.Stamped

维普资讯 http://www.cqvip.com 文章编号：１００２－－８６９２（２００３）０４－－００４２—０２　ＴＯＰＳｗｉｔｃｈ器件及其在　＿翼关　电源功率因数校正电路的　俞阿龙　（淮阴师范学院，江苏淮阴２２３００１）　【摘　要】介绍ＴＯＰｓｗｉｔｃｈ器件的工作原理、特性以及在开关电源的功率因数校正中的应用．讨论了功率因数校正原理并给出　了由ＴＯＰＳｗｉｔｃｈ器件组成的开关电源的功率因数校正的实用电路：　【关键词】开关电源；功率因数校正；谐波　【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ＴＯＰＳｗｉｔｃｈ　ｄｅｖｉｃｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｐｏｗｅｒ　ｆａｃｔｏｒ　ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｏｆ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ａｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｆａｃｔｏｒ　ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｉｓ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ．ｔｈｅ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｒ　ｇｉｖｅｎ．　【Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ】ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ；ＰＦＣ；ｈａｒｍｏｎｉｃ　ＴＯＰＳｗｉｔｃｈ为三端器件因电路简单，成本低廉，　为功率不大的电器设备的功率因数校正提供了一　种廉价及简单的方法。　封装及ＳＭＤ一８封装各有８个引脚，但均可简化为３　个，这３个管脚分别为控制端Ｃ、源极Ｓ、漏极Ｄ。下　面以ＴＯＰＳｗｉｔｃｈ—Ｉ／为例介绍其主要工作原理。　１　ＴＯＰＳｗｉｔｃｈ器件的工作原理及特性　１．１　ＴＯＰＳｗｉｔｃｈ器件　小散热片在内部与Ｓ脚连通　Ｄ　Ｓ（ＨＶ　ＲＴＮ）　Ｓ（ＨＶ　ＲＴＮ、　ＴＯＰＳｗｉｔｃｈ器件是美国Ｐｏｗｅｒ公司研制成功的　三端隔离反激式脉宽调制单片开关电源集成电路，　被誉为“顶级开关电源”，其一代产品于１９９４年推　出。ＴＯＰＳｗｉｔｃｈ器件主要包括下列型号：ＴＯＰ１００系　歹Ｕ（Ｔ０Ｐ１００Ｙ～Ｔ０Ｐ１０４Ｙ）ＴＯＰ２００系歹Ｕ（ＴＯＰ２００Ｙ～　Ｓ　Ｃ　Ｓ（ＨＶ　ＲＴＮ）　Ｄ　（ｂ）ＤＩＰ一８封装及ＳＭＤ一８封装　图１　Ｔ０ＰＳｗｉｔｃｈ器件的管脚排列　ＴＯＰＳｗｉｔｃｈ一１１的内部框图如图２所示。它主要　包括１０个部分：（１）控制电压源（由控制电压　向　并联调整器和门驱动级提供偏压，而控制端电流，ｃ　ＴＯＰ２０２Ｙ，ＴＯＰ２１４ｙ）、ＴＯＰ２０９／２１０　系歹Ｕ　、ＴＯＰ—　Ｓｗｉｔｃｈ一１１系歹Ｕ（ＴＯＰ２２　１～ＴＯＰ２２７）。ＴＯＰＳｗｉｔｃｈ一１１与　第一代产品相比，不仅其性能进一步改进，而且输　出功率也显著提高，现已成为国际上开发中、小功　率开关电源及电源模块的优选集成电路。　１．２　ＴＯＰＳｗｉｔｃｈ器件的主要特性　则能调节占空比）；（２）带隙基准电压源（给内部提　供各种基准电压）；（３）振荡器（产生锯齿波ＳＡＷ、　（１）将脉宽调制（ＰＷＭ）控制系统的全部功能　集成到三端芯片中。内含脉宽调制器、功率开关场　效应管（ＭＯＳＦＥＴ）、自动偏置电路、保护电路、高压　启动电路和环路补偿电路；　最大占空比信步Ｄ～和时钟信号ＣＬＯＣＫ）；（４）　并　联调整器／误差放大器；（５）脉宽调制器（通过改变　控制端电流，ｃ的大小，连续调节脉冲占空比，实现　脉宽调制并能滤掉开关噪声电压）；（６）门驱动级和　输出级（内含耐压７００　Ｖ的功率开关管ＭＯＳＦＥＴ）　（７）过流保护电路（利用ＭＯＳＦＥＴ的漏一源通态电　阻来检测过流，当漏极电流过大时ＭＯＳＦＥＴ关断，　起到过流保护作用）；（８）过热保护和上电复位电路　（当芯片结温大于１３５℃时关断输出级）；（９）关断／　自动重启动电路（当调节失控时）立即使芯片在低占　（２）制作开关电源时输入交流电压范围宽，作　固定电压输入时可选１１０　Ｖ／１１５　Ｖ／２３０　Ｖ交流电，　允许变化１５％，在宽电压范围输入时，可适配８５　Ｖ～　２６５　Ｖ交流电；　（３）能以非常简洁方式（外围电路简单）构成　无工频变压器的反激式普通型或精密型开关电源，　成本低、效率高、开关频率高，典型值为１Ｏ０　ｋＨＺ，允　许范围为９０～１　１０　ｋＨＺ。　１．３　ＴｏＰＳｗｉｔｃｈ器件的工作原理　空比下工作，倘若故障已排除，就自动重启动电源恢　复正常工作）；（１０）高压电流源（提供偏流用）。总体　来说ＴＯＰＳｗｉｔｃｈ—Ｉ／是利用反馈电流，ｃ来调节占空　ＴＯＰＳｗｉｔｃｈ器件的管脚排列有３种封装形式，　如图１所示。其中，ＴＯ一２２０封装有３个引脚，ＤＩＰ一８　江苏省教育厅资助项目。项目号：０１ＫＪＤ４７０００６　比Ｄ，达到稳压目的，比如当输出电压　。ｔ时，经过　反馈电路使，ｃ　ｔ—Ｄ　ｉ—　。ｉ，最终使　。不变。　维普资讯 http://www.cqvip.com 流电压Ｖ。，然后由Ｌ，ＶＤ　和ＴＯＰ—　Ｓｗｉｔｃｈ组成的升压式电路输出直流　高压Ｖ。（４２０　Ｖ），Ｌ为储能电感，亦　称升压电感，ＶＤ　为续流二极管．　ＴＯＰＳｗｉｔｃｈ起到电子开关的作用。　当内部Ｍ０ＳＦＥＴ导通时，Ｌ上有电　流通过而储存电能，电压极性为左　正右负，使ＶＤ　截止；当内部　ＶＤ－导　ＭＯＳＦＥＴ截止时，Ｌ上产生的反向电　动势　。　极性为左负右正，使通，　。就与　－　相叠加后经ＶＤ。向负　载供电，因ＶＤ　的正向压降可以忽　略不计，故Ｖ。＝　。＋　Ｉ．＞　。，ＶＤ　的作用　是隔断ＭＯＳＦＥＴ的反向电流，Ｒｔ为　预补偿电阻，其上的补偿电流与　．　成正比，该电流能改变占空比，Ｒ：为　图２　Ｔ０ＰＳｗｉｔｃｈ一Ⅱ的内部框图　预补偿电流的退耦电阻，大电容Ｃ　能降低总的谐波失真，Ｃ　可滤除高频噪声，减小预　补偿电流引起的误差，ＶＤ　。，ＶＤ　实现对输出电压的　直接传感，当输出达到正常水平后，ＶＤ　，ＶＤ　导通，　输出电流到控制引线，直接控制ＴＯＰＳｗｉｔｃｈ的占空　比，如果图５电路中ＴＯＰＳｗｉｔｃｈ用ＴＯＰ２０２型号，则　功率因数为０．９８，总谐波畸变只有７％。　２　ＰＦＣ基本原理　实用的功率因数校正的方法主要有无源校正　和有源校正两种：无源校正主要是采用无源滤波器　校正，通过在电路中串联或并联ＬＣ谐振回路实现，　这类校正方法简单，但是校正后功率因数不太高　（最高约为９０％）；目前，对非线性系统（开关电源对　电网来说是非线性系统）的功率因数越来越趋向于　用有源校正法，流行的是升压式（Ｂｏｏｓｔ）电路，基本　电路，拓扑如图３所示，其基本原理是控制电路强　迫输入电流跟踪输入电压实现正弦化，并与输入电　压同步。　表ｌ　ＴＯＰＳｗｉｔｃｈ与ＰＦＣ电路输出功率关系表　型号ＴＯＰ２ｏｏ　ＴＯＰ２Ｏ１　ＴＯＰ２Ｏ２　ＴＯＰ２Ｏ３　ＴＯＰ２０４　ＴＯＰ２１４　ＰＦＣ输出功率／ｗ　Ｏ一２５　２０—５Ｏ　３０￣７５　４５～１ｏｏ　７５～１５０　６（卜１２５　图３　有源ＰＦＣ电路拓扑结构　３　用ＴＯＰＳｗｉｔｃｈ器件设计开关电源升　压式ＰＦＣ电路　ＴＯＰＳｗｉｔｃｈ器件主要用来设计反激式开关电　源，但也可以用来设计开关电源升压式（Ｂｏｏｓｔ）有源　ＰＦＣ电路，且使用十分方便，这主要是由于ＴＯＰ－　Ｓｗｉｔｃｈ器件控制功能极为理想，占空比的大小和控　制端的输入电流呈非常好的线性关系。由ＴＯＰ—　Ｓｗｉｔｃｈ器件设计开关电源升压式（Ｂｏｏｓｔ）有源ＰＦＣ　电路可根据ＴＯＰＳｗｉｔｃｈ与ＰＦＣ电路输出功率关系　来选择ＴＯＰＳｗｉｔｃｈ型号，以满足不同功率要求。表１　所示的是部分型号的ＴＯＰＳｗｉｔｃｈ与ＰＦＣ电路输出　功率关系表。　图４　ＢｏｏｓｔＰＦＣ电路原理图　参考文献　［１］沙占友主编．新型单片开关电源的设计与应用［Ｍ】．北　京：电子工业出版社，２００１．　【２］王兆安主编．谐波抑制和无功功率补偿、北京：机械工业　出版社，１９９９．　［３］Ｐｏｗｅｒ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｓ，ＩＮＣ．Ｐｏｗｅｒ　Ｆａｃｔｏｒ　Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ　Ｕｓｉｎｇ　ＴＯＰＳｗｉｔｃｈ［Ｍ］．Ｐｏｗｅｒ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｓ，Ｉｎｃ，Ｄａｔａ　Ｂｏｏｋ　ａｎｄ　Ｄｅ—　图４是用ＴＯＰＳｗｉｔｃｈ设计的一种恒频、非连续　式ＢｏｏｓｔＰＦＣ电路原理图。电网交流电输入先通过电　磁干扰滤波器ＥＭＩ，再经桥式整流电容滤波变成直　ｓｉｇｎ　Ｇｕｉｄｅ，１９９６～１９９７：１７～３０．　责任编辑：刘伯义　囹　收稿日期：２００２－１０－１６　４３