第三章 TOPSwitch 系列芯片简介
美国功率集成公司(PI 公司)在 1994 年推出第一代 TOP Switch 芯片,1997
年,美国功率集成公司又推出了 TOP Switch℃系列器件。TOP Switch℃系列器件
和 TOP Switch 系列器件相比,内电路作了许多改进,器件对于电路板布局以及
输入总线瞬变的敏感性大大减少,故设计更为方便,性能又有了增强,性能价格
比更高。与 TOP Switch 系列器件相比,TOP Switch℃系列器件在输入电压为 100V、
115V 或 230VAC 时,系统功率从(0~100)W 提高到(0~150)W,在三种电
压下均可工作时,系统的功率从(0~50)W 提高到(0~90)W,从而使得 TOP
Switch℃器件可在如电视、监视器以及音频放大器等许多新的应用范围内使用。
1998 年推出绿色、低价的 Tiny Switch 和 TOP Switch-FX 开关电源 IC 系列,它
为设计高度集成的电源提供了更大的灵活性,采用的 Eco Smart 节能技术可以帮
助工程师生产出符合环保要求的更加“绿色”的电子产品。器件输出功率最高达
75W,可广泛应用于手机充电器、PC 待机电源、机顶盒、DVD 和 LCD 显示器
等不同领域。2000 年 11 月最新推出 TOP Switch-GX 系列高压 AC/DC 转换芯片,
把最大输出功率提高到 250W,具有更高的开关频率,在轻负载时能线性缩减频
率以降低待机功耗;更宽的占空比;并且,通过增加 3 个引脚,使用户具有更多
可配置的功能(如限流调整、欠压检测、过压关断、电压前馈、两种可选频率及
远程 On/Off 等)。
TOP Switch 主要用于 AC/DC 转换器,具有体积小,重量轻,宽输入范围
(85V-265V),提供了 PI Expert 专家系统设计软件,便于用户更快地设计出自已
的产品。
采用 TOP Switch 器件的开关电源与采用分立的 MOSFET 功率开关及 PWM
集成控制器的开关电源相比,具有以下特点:
1、成本低廉。使用 TOP Switch 器件,比用其他开关电源节省很多个元器件,从
而使产品的大小和重量减少;TOP Switch 因采用了源极调节板和可控的
MOSFET 通态驱动,故电磁干扰(EMI)和 EMI 滤波器的成本可明显降低;
2、系统效率高。TOP Switch 系采用 CMOS 工艺制作,并在芯片中集成了尽可能
多的功能,故与采用二极管或分立的功率开关电路相比,偏置电流显著降低;
开关电源所需的功能集成于芯片中后,外部的电流传感电阻和初始起动偏压
电流的电路均可除去,系统效率大大提高。特别是 TOP Switch 器件专门针对
反激式功率变换电路进行了优化,使最大值占空比可达 70%,TOP100~
TOP104,TOP200~TOP204/TOP214 的效率可达 90%,TOP209/TOP210 的效
率也可超过 80%;电源设计简化。
TOP Switch 器件在 3 脚的 TOP220 封装中集成了 PWM 控制器和高压
MOSFET 功率开关,只需外接一个电容就能实现补偿、旁路、起动和自动重起
功能。另外,有许多专门为 TOP Switch 器件而标准设计的电路板,使应用 TOP
Switch 的设计更为方便,极大地缩短了产品开发至进入市场所需的时间;应用灵
活性高。TOP Switch 器件支持降压型、升压型、正激式和反激式功率变换电路,
并且很容易和光耦及变压器初级的反馈电路结合,无论在连续传导模式和不连续
传导模式下均可工作;功能完善的系统级故障保护。TOP Switch 具有自动重起
和逐周电流限制功能,故可对功率变压器初级和次级电路的故障进行保护。TOP
Switch 还具有在片热关闭选通功能,可在电路超负荷时有效地保护电源。
对于小功率的开关电源的设计,TOP Switch 系列芯片以其电路简捷,体积
小,重量轻,自保护功能齐全,设计方便等优点在该领域的应用上有很大的优势。
TOP Switch 系列产品的主要特点:
1、TOP Switch-I 系列
一般,TOP100~TOP104 主要应用于输入电压为 100V 或 110VAC,功率在
(0~60)W 范围内的开关电源或功率在(0~110)W 范围内采用功率因数校正
(PFC)的开关电源。同样适用于功率在(0~25)W 范围内的无线通信、有线通
信以及其他 DC/DC 变换的应用。
TOP200~TOP204/TOP214 则适于输入电压为 100V,110V 或 230VAC,功
率在(0~100)W 范围内的开关电源〔如在三种输入电压下均能工作,则功率
限制在(0~50)W 范围内〕,或输入为 230V 或 277VAC,功率在(0~150)W
范围内采用功率因数校正的开关电源。
2、TOP Switch-℃系列
根据封装形式,TOPSwitch-II 系列产品可划分成三种类型: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 。
TOPSwitch-II 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:℃该端电压 VC 为片内并联调整器和门驱动级提供偏压;℃
该端电流 IC 能调节占空比;℃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 %~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 C 控制端的反馈电流 IC 来调节占空比,
达到稳压目的。
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。
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。
TOPSwitch-℃系列芯片的管脚功能与应用:
TOPSwitch-℃系列芯片有三个管脚,分别是 D(3 脚)、S(2 脚)、C(1
脚),其中 C 为控制脚,用于电压反馈控制输入;D 为内部 MOS 管的漏极,也
是芯片功率电路输入端,一般经过变压器初级绕组与供电电源正端相连接;S 为
内部 MOS 管的源极,一般接输入电源的负端。
3、TOP Switch –GX 系列
TOPSwitch-GX 更稳定,输出功率相对较大,适用范围相对较广,而且具有
一些其他芯片没有的特点。该系列产品除具备 TOPSwitch-FX 系列的全部优点之
外,还具备以下新增的主要功能及其优点:
1)更宽的输出功率范围,最大可达 290W;
2)可减少外围器件的损耗;
3)在极低压或过压时能实现完全软启动,进一步减小了器件在启动时的电压、
电流应力;
4)外部可编程精确地设定限制电流,减小了变压器铁芯体积,提高了电源效率;
5)更大的占空比,能提供更大的输出功率并减小了输入电容;
6)在 Y、R、F 型式封装中将电压检测管脚与限流管脚分开封装,提高了设计的
灵活性;
7)欠压保护,不会造成误关断;
8)有过压保护,可以限制浪涌电流;
9)采用线电压前馈,减小了低压时的输出电压纹波,限制了高压时的最大占空比
(Dmax);
10)有±3%的频率抖动,减小了电磁干扰(EMI),并降低了 EMI 滤波器的损耗;
11)空载、轻载时可降低工作频率,使输出电路无需加假负载,从而显著地减少
了能量损耗;
12)高达 132kHz 的工作频率,减小了变压器和电源的体积;
13)在视频应用时可选择半频(66kHz)运行(只限于 Y、R、F 封装);
14)温度范围更宽的滞后热关断,允许电源在高温下输出更大的功率,并有效地
防止装置过热。
TOPSwitch-GX 系列的这些优点使其可广泛地应用于手提电脑、PDA、集线
器、交换器、路由器、台式电脑、小型服务器、机顶盒、数码电视、打印机、DVD
播放器、UPS、电视游戏机、音频放大器等装置中。