智能开关电源集成电路TOPSwitch的分析°梁剑，韩雁（浙江大学信电系微电子技术与系统设计研究所。杭州市，310027）环保节能的要求也更加严格。这些都要求有效率更高、集成度更高的开关电源加以配合。本文反向剖析了美国P（owerIntegration公司的TOPSwTitdi系列智能开关电源集成电路芯片，在系统地分析及全面的计算机仿真的基础之上，给出该电路的工作原理、设计方法及其应用。该集成电路除了一般的PWM控制功能外，还集成了自动重启功能，过流、过热保护功能，大功率MOSFET等。具有效率高（AC/DC转换效率可高达外围元件少等特点，具有多项专利。是目前国际上*先进的智能开关电源产品之一。该电路的芯片生产工艺，更是集高压（700V）大功率（数十瓦）数模混合、双极/CMOS兼容等*先进的半导体技术于一体，世界上目前只有极少数几家公司具有生产该类电路的能力。

　　中图分类法：TN492，TN86：A 1序言开关电源的*大的优势在于能大幅度缩小变压器的体积和重量，这样也就缩小了整个系统的体积和重量。一般说来，开关电源的重量是线性电源的1/4，相应的体积大概是线性电源的1/3所以说开关电源对低档的线性电源特别是20W以下的线性电源构成了威胁，大有取而代之之势但是，传统的开关电源除了PWM和功率MOSFET之外还包括大约40到80个分立元件，这不但增加了成本、体积，而且还使可靠性受到了影响。

　　多年来，由于技术上的障碍（高压，大功率），开关电源集成电中和在集成化上一直得不到很大的进步。近年来，把开关电源中用到的高压大功率开关管和低压控制电路集成到一片单芯片上的技术已经成熟但是由于芯片加工工艺的复杂性和相当大的芯片面积（大功率管的面积），使这种集成电路的成本很高，使它的应用和发展受到限制近年来电子系统的不断进化对开关电源在更高要求的基础上提出了更大的需求，特别是那些对体积、重量以及效率非常敏感的电子系统，例如移动电话，就要求电池充电器不要比移动电话本身更大或更重。

　　环保意识的增强，各国特别是欧美等发达国家对节能的要求越来越高如果用50多个分立元件来搭成传统的开关电源，那么一般说来是达不到这种节能要求的令人高兴的是，因为市场需求的驱动和技术的进一步发展，一系列新型的开关集成电路不断面市。这些电路一般都集成一个高压MOSFET或者双极型晶体管和一个低压PWM控制器。一些附加功能，如自启动电路，过热保护电路等也可以集成进去。大部分产品是以单芯片的形式实现的，有些也用多芯片封装模式，把功率MOSFET和控制电路两部分封装在一起，这些新型的开关集成电路不但在尺寸和效率上满足市场需求，而且性价比很高。

　　这种新型开关电源集成电路给电源系统带来了很多优势。首先，它显著地减少了外围元件数目，由此使开关电源变得更轻更小。其次，减少元件数在提高可靠性的同时也降低了成本。集成化还带来了另外一些好处，比如：可以提供更好的过热保护和过流保护，使设计工程师的任务更加简单「2新型开关电源集成电路中*早面市的是PowerIntegrations公司的TOPSwitch系列。

　　这一系列的集成电路把高压（可达700V）大功率管（MOSFET），低压模拟数字混合控制电路都集成到了一个三端器件中去。

　　框图从可以看出该电路的*大特色是把管脚数降到*少一一三个管脚内置的振荡器使管脚数减少了两个：由内置的高压功率管来提供启动偏置，又减少了一个管脚ft而三个管脚之14勺-控?：hCONTROrk除了合内部部电路供电其镘电流祜r还用于控制电路的P://v旁路电流和控制PWM的工作比。除此之外，用内部功率管（MOSFET）的导通电阻当作敏感电阻，来实现每周期的限流保护，等等这些都是该电路的专利所在当控制脚输入电流小于1mA时，TOPSwitch完全旁路，在工作比为67%（*大）的条件下实现开关操作当控制脚电流超过1mA时，通过内部的检测电阻Re，用旁路调整器（ShuntRegulator）进行旁路，通过7kHz的低通滤波器把高频开关噪声滤掉当控制脚电流上升到2mA到6mA之间时，反馈的电流信号经过误差放大器放大后，滤波并送入PWM比较器，产生占空比随反馈信号变化的脉冲波，通过驱动电路驱动片内的功率MOSFET反馈电流通过这种方式控制电路的工作比，使电压稳定在需要值上当该电流值达到6mA以上时，以*小的工作比（27%）进行开关操作电路的其它部分，如保护电路等，在后面再加以详细分析。

　　3TOPSwitch内部电路分析占空比转换器通过集成尽可能多的功能和采用CMOS的电路形式得到很高的效率CMOS工艺与双极型工艺及分立元件比较，能显著地减少偏置电流集成化又减少了在电流感应启动电流中用到的外部功率电阻如所示，Q5Q6这两个晶体管的基射结压降差AUb具有正的温度系数，而晶体管的基射结电压Ue有负的温度系数，这两者补偿构成了一个温度系数为零的带隙基准源在Q4的发射极输出1. 26V的基准电压3左边的电路产生一个偏置电压，Q16的栅电压是带隙电压，当温度升高时，/R5变/C12变大；Ir变小，/DU变小。精确地调整两边电阻、电流镜的比例，可以得到温度系数很小的偏置电压。这个电压也用做片内振荡器的充电电流源的偏置电压。所以，振荡频率随温度的变化很小。这里要说明的是：由于片内集成了功率MOSFET，温度的变化会给电路性能带来很大的影响，有必要在各方面仔细考虑。

　　9如图。AlQ6为inkDMO较高1电（路。正1常运作时M控制制信号为低电压43管1导://通，Q6的栅极电位被拉到低电平，Q6截止，电容Cl上没有充电电流当电路启动时，或者由于某种原因（过热，过流）使保护电路起作用时，控制脚CONTROL的电压会低于4.7V，使关断币启电路工作，控制信号变为高电平，相应Q6的栅压也变为高电平，Q6导通，对C1进行充电。充电电流为I充=VBE5/R3+VD/R2在一般的开关电源电路中，过流保护电路一般要外接元器伟而在TOPSwicth电路中，用片内集成的功率MOSFET的导通电阻作为电流检测电阻，在功率MOSFET的漏极引出。如果采用分立元件实现的方式，过流保护的比较电路就要承受当功率管截止时的高压（高达700V），这一般来说较难实现而利用片内集成则可以在功率管截止时，把漏极的高压隔断开。具体电路如所示：从功率MOSFET的栅控电压中引出一个信号，经过两个门延后（功率管导通需要一定的延迟时间），控制Q19，Q1，Q2的关闭当栅控电压为高电平时，Q19导通功率MOSFET漏极电压经分压加到Q7的基极上（Rl+R2）当功率MOSFET上的电流过大时，其漏极电压通过分压到Q7基极上的电压Vb7就大于Vr，比较器“输出”端口为高电平。当功率MOSFET上的电流正常时，VB7小于VR，“输出”端口为低电平而当栅控电压为低电平时，功率MOSFET截止，它的漏极为高电压，但是Q19截止，这个高电压就不会加到Q7的基极上，Vb7为低电平此时Q1Q2导通，连同本来就已导通的Q5，3路电流流到R1，R2上，形成电压Vr=（/+/d+/（2）X（R1+R2），比较器“输出”端口为低电平。

　　见R4是个小电阻，与R5R6R7组成分压网络当Vc电压大于5.小1.26V，V输出低电平，Vd5为高电平，Vd6为低电平。反之，Vd为高电平26VVDl4俞出为高电平，VD18为低电平反之，VD18.当电路启动时，VC从0V上升到5.7V在这过程中，VD18由低电平变为高电平，VD6为高电平，Q20-Q27组成的RS触发器的输出VG27，由高电平变为低电平，并稳定为低电平。

　　在电路正常工作时，RS触发器的两个输入端Vrns，VD6都为高电平，输出为低电平。

　　7V时，Vdo为低电平，Vd1S为高电平，输出为低电平。

　　当Vc大于4.7V时，VD6为高电平，作8为低电平，输出为高电平。

　　RS触发器的输出经过一个反门修整，与系统的复位信号进行“与非”操作后输出，去控制高压偏置电流源。从上面的分析可以看出，在电路启动的时候，关断一一重启电路输出的控制信号是高电平，使中的电流源打开，对电容C1充电；当充到5.7V时，控制信号V（m变为低电平，关闭电流源，电路开始独立正常工作。如果由于某种原因使Vc小于4.7V，电流源也会对电容充电，使其电压达到5. 4应用电路