TOPSwitch GX系列第四代单片开关电源的原理

TOpSwitchGX系列是美国powerIntegrations公司继TOpSwitchFX之后，于2000年底新推出的第四代单片开关电源集成电路，并将作为主流产品加以推广。下面详细阐述TOpSwitchGX的性能特点、产品分类和工作原理。

1TOpSwitchGX的性能特点及产品分类

1.1性能特点

（1）该系列产品除具备TOpSwitchFX系列的全部优点之外，还将最大输出功率从75W扩展到250W，适合构成大、中功率的高效率、隔离式开关电源。

（2）采用TO2207C封装的TOp242～TOp249产品，新新增了线路检测端（L）和从外部设定极限电流端（X）这两个引脚，用来代替TOpSwitchFX的多功能端（M）的全部控制功能，使用更加灵活、方便。

（3）将开关频率提高到132kHz，这有助于减小高频变压器及整个开关电源的体积。

（4）当开关电源的负载很轻时，能自动将开关频率从132kHz降低到30kHz（半频模式下则由66kHz降至15kHz），可降低开关损耗，进一步提高电源效率。

（5）采用了被称作EcoSmart的节能新技术，显著降低了在远程通／断模式下芯片的功耗，当输入交流电压是230V时，芯片功耗仅为160mW。

1.2产品分类

根据封装形式和最大持续输出功率的不同，TOpSwitchGX系列可划分成三大类、共14种型号，详见表1。型号中的后缀p、G、Y分别表示DIp8B、SMD8B、TO2207C封装。

表1TOpSwitchGX的产品分类及最大持续输出功率pOM产品型号固定交流输入（110/115V/230V±15％）宽范围交流输入（85V～265V）密封式电源模块敞开式电源密封式电源模块敞开式电源TOp242p/G9W15W6.5W10WTOp242Y10W22W7W14WTOp243p/G13W25W9W15WTOp243Y20W45W15W30WTOp244p/G16W30W11W20WTOp244Y30W65W20W45WTOp245Y40W85W26W60WTOp246Y60W125W40W90WTOp247Y85W165W55W125WTOp248Y105W205W70W155WTOp249Y120W250W80W180W2TOpSwitchGX的引脚功能

TOpSwitchGX的引脚排列如图1所示。其中，TO2207C封装有6个引出端，它们分别是控制端C，线路检测端L，极限电流设定端X，源极S，开关频率选择端F，漏极D。利用线路检测端（L）可实现四种功能：过压（OV）保护；欠压（UV）保护；电压前馈（当电网电压过低时用来降低最大占空比）；远程通／断（ON／OFF）和同步。而利用极限电流设定端（X），可从外部设定芯片的极限电流。DIp8B和SMD8B封装仍保留多功能端M，并未设置开关频率选择端F，故等效于四端器件。其余引脚功能与TOpSwitchFX相同。

图1TOpSwitchGX的引脚排列(a)TO2207C封装(b)DIp8B和SMD8B封装

图2TOpSwitchGX的内部框图

3TOpSwitchGX的工作原理

采用Y封装的TOpSwitchGX系列产品，其内部框图如图2所示。电路重要由18部分组成：

（1）控制电压源；

（2）带隙基准电压源；

（3）频率抖动振荡器；

（4）并联调整器／误差放大器；

（5）脉宽调制器（含pWM比较器和触发器）；

（6）过流保护电路；

（7）门驱动级和输出级；

（8）具有滞后特性的过热保护电路；

（9）关断／自动重起动电路；

（10）高压电流源；

（11）软起动电路；

（12）欠压比较器；

（13）电流极限比较器；

（14）线路比较器；

（15）线路检测端和极限电流设定端的内部电路；

（16）轻载时自动降低开关频率的电路；

（17）停止逻辑；

（18）开启电压为1V的电压比较器。

它与TOpSwitchFX的重要差别为：新新增了第（16）、（17）、（18）项单元电路；给电流极限调节器也新增了软起动输出端；将频率抖动振荡器出现的开关频率提升到132kHz（全频模式）或66kHz（半频模式）；给频率抖动振荡器新增了一个“停止逻辑”（STOpLOGIC）电路，使之工作更为可靠。TOpSwitchGX的工作原理仍然是利用反馈电流IC来调节占空比D，达到稳压目的。举例说明，当输出电压VO降低时，经过光耦反馈电路使得IC减小，占空比则增大，输出电压随之升高,最终使VO维持不变。

TOpSwitchGX与TOpSwitchFX的性能比较，详见表2。下面重点阐述TOpSwitchGX新增功能电路的原理。

3.1轻载时自动降低开关频率的电路

对TOpSwitchGX而言，开关频率及占空比能随输出端负载的降低而自动减小。其减小量与控制端流入的电流成反比。当控制端电流逐渐增大时，占空比能线性地减少到10％，但是当负载很轻时，占空比可低于10％。与此同时，开关频率也减少到最小值，以提高开关电源在轻载下的效率。当开关频率的正常值（即典型值）为132kHz时，频率最小值为30kHz，在半频模式下开关频率正常值为132kHz／2=66kHz，此时频率最小值就降至15kHz。该特性能保证开关电源在轻载时，仍保持良好的调节功能，并且降低了电源的开关损耗。开关频率f和占空比D与控制端电流IC的关系如图3所示。

图3开关频率和占空比与控制端电流的关系曲线

(a)fIC关系曲线(b)DIC关系曲线功能TOpSwitchFXTOpSwitchGXTOpSwitchGX轻载时的工作方式跳过周期降低开关频率及占空比·提高轻载下的电源效率·降低空载损耗Y封装将线路检测、外部极限电流设定分成两个引脚：L，X线路检测及外部极限电流设定合并成一个引脚（M），用户只能从中选用一种功能能同时实现过压和欠压保护、电压前馈、遥控和外部设定极限电流等多项功能·外部设计更加灵活，允许同时运用各种功能极限电流设定范围（40％～100％）ILIMIT（30％～100％）ILIMIT·设定范围更宽，可设计在持续模式下，减小高频变压器的尺寸p封装的极限电流与Y封装相同TOp243p和TOp244p降低了内部极限电流偏差的余量·在低电压时，能减小输出端的交流纹波电压·在低功耗下允许工作在更加持续的模式Y封装的极限电流100％90％（与RSD（ON）相同）·减小变压器尺寸·对用户更加方便热关断温度及滞后温度125℃（滞后温度为70℃）130℃（滞后温度为75℃）·在高温应用时允许输出较大的功率最大占空比时的开启电流90μA60μA·在低电压时，降低输出电压频率的波动·降低Dmax，优化设计电网电压过低时的负向关断阈值——等于正向（开启）阈值的40％·当电网电压降低时，能供应精确的关断阈值电压软起动时间10ms（仅控制占空比）10ms（能同时限制占空比和极限电流）·在软起动时逐渐新增极限电流和占空比，能进一步降低峰值电压和电流·在起动时可减轻元器件的负担

表2TOpSwitchGX与TOpSwitchFX的性能比较

进一步分析可知，开关损耗是由片内功率开关管MOSFET的电容损耗和开关交叠损耗这两部分构成的。这里讲的电容损耗亦称CV2f损耗，它是指储存在MOSFET输出电容和高频变压器分布电容上的电能，要在每个开关周期开始时被泄放掉而出现的损耗。交叠损耗则是由于MOSFET存在开关时间而出现的。在MOSFET的通／断过程中，有效的电压和电流同时加到MOSFET上的时间很短，而MOSFET的开关交叠时间较长，这势必造成功率损耗。单片开关电源内部加有很小的米勒（Miller）电容，使得MOSFET的开关速度更快，其交叠损耗仅为分立开关电源的1/10左右，可忽略不计。但是，由TOpSwitchGX构成的开关电源在额定输出功率下，MOSFET的电容损耗仍占总功耗的7％左右，这是不容忽视的问题。特别当开关电源的负载很轻时，电容损耗在总功耗中所占份额还会进一步新增。因此，轻载时令TOpSwitchGX处于低频开关状态，这关于降低MOSFET的电容损耗至关重要。

3.2内部极限电流与外部可编程极限电流

TOpSwitchGX的漏极极限电流，既可由内部设定，亦可从外部设定。这是它与TOpSwitchⅡ的另一显著差别。其内部自保护极限电流ILIMIT的最小值、典型值和最大值见表3，测试条件为芯片结温TJ=25℃。ILIMIT会随环境温度的升高而增大。TOpSwitchGX在每个开关周期内都要检测MOSFET漏源极导通电阻RDS(ON)上的漏极峰值电流ID(pK)。当ID(pK)>ILIMIT时，过流比较器就输出高电平，依次经过触发器、主控门和驱动级，将MOSFET关断，起到过流保护用途。将TOpSwitchGX与TOpSwitchⅡ进行比较后不难发现，TOpSwitchGX的极限电流容许偏差要小得多。例如TOp223p/Y的容差为1.00±0.1A，相对偏差达(±0.1/1.00)×100％=±10％。而TOp244p/G的容差为1.00±0.07A，相对偏差减小到(±0.07/1.00)×100％=±7％。这表明，用TOp244p/G代替TOp223p/Y来设计开关电源时，由于TOp244p/G不要留出过多的极限电流余量并且它把最大占空比提高到78％（TOpSwitchⅡ仅为67％），因此在相同的输入功率／输出电压条件下，TOpSwitchGX要比同类TOpSwitchⅡ的输出功率高出10％～15％，并且还能降低外围元件的成本。

为方便用户使用，也可从外部通过改变极限电流设定端（X）的流出电流IX（用负值表示，单位是μA），来设定极限电流I′LIMIT值。I′LIMIT的设定范围是（30％

～100％）·ILIMIT。

表3内部自保护极限电流值TOpSwitchGX系列产品型号极限电流ILIMIT（A）最小值（ILIMIT(min)）典型值（ILIMIT）最大值（ILIMIT（max））TOp242p/G/Y0.4180.450.481TOp243p/G0.6970.750.802TOp243Y0.8370.900.963TOp244p/G0.9301.001.070TOp244Y1.2561.351.445TOp245Y1.6741.801.926TOp246Y2.5112.702.889TOp247Y3.3483.603.852TOp248Y4.1854.504.815TOp249Y5.0225.405.778

3.3远程通／断

TOpSwitchGX是通过改变线路检测端流入（或流出）电流IX的大小及方向，来控制开关电源通、断状态的。线路检测端内部还新增了开启电压为1V的电压比较器，此开启电压可用于远程通／断控制。关于p/G封装的芯片，把晶体管或光耦合器的输出接到多功能端（M）与源极（S）之间，就用正逻辑信号（高电平）起动开关电源，加低电平信号则关断；而接在多功能端与控制端（C）之间，就改用负逻辑信号（低电平）起动开关电源，加高电平则关断。关于Y封装的芯片，将晶体管或光耦的输出分别接极限电流设定端（X）、线路检测端（L），亦可对开关电源的通／断进行遥控。