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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TOPSwitch芯片，1997年，美国功率集成公司又推出了TOPSwitchⅡ系列器件。TOPSwitchⅡ系列器件和TOPSwitch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TOPSwitch系列器件相比，TOPSwitchⅡ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TOPSwitchⅡ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TinySwitch和TOPSwitch-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EcoSmart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TOPSwitch-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）。TOPSwitch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PIExpert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TOPSwitch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TOPSwitch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；TOPSwitch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。TOPSwitch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TOPSwitch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。TOPSwitch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TOPSwitch器件而标准设计的电路板，使应用TOPSwitch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。TOPSwitch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。TOPSwitch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。TOPSwitch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，TOPSwitch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。TOPSwitch系列产品的主要特点：1、TOPSwitch-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、TOPSwitch-Ⅱ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1.4.2。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：①该端电压VC为片内并联调整器和门驱动级提供偏压；②该端电流IC能调节占空比；③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1.7%～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-Ⅱ系列芯片的管脚功能与应用：TOPSwitch-Ⅱ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、TOPSwitch–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。