TOPSwitch的特点及设计时需注意的问题

TOPSwitch的特点及设计时需注意的问题 摘要：对TOPSwitch的特点作了进一步的分析，并讲述了设计中如何求得一个最佳电感值的问题。 1引言 　　对于200W以下的开关电源，应用TOPSwitch与应用UC3842相比，所需的元器件要少得多，从而使电路简化，体积和重量进一步减小，成本降低。本文对TOPSwitch尚未见文献提及的某些特点及设计中需注意的问题提出一些见解。 2特点分析 　　（1）前沿消隐 　　次级整流电路中二极管反向恢复时产生的电流尖峰脉冲波形如图1所示。如果这个尖峰脉冲超过了漏极电流的最大值Ilim，就会导致开关脉冲提前结束。为了避免这种情况的出现，TOPSwitch系列器件中设有前沿消隐电路。实质上，它是一个延迟电路，即使限流比较器在输出MOSFET刚导通的一段很短的时间（一般为180ns）内不导通。 图1二极管反向恢复时电流尖峰 图2自动重起动波形 图3自动重起动时漏极电流波形 　　（2）自动重起动 　　TOPSwitch自动重起动时的起动波形如图2所示。可以看出，电源是按典型值为12.5％的自动重起动占空比接通和断开的，即8个充放电周期中只有一个周期工作。 　　其原因是：从产品的数据手册中，可以得到自动重起动的频率fR为1.2Hz,对应的自动重起动周期TR约为0.8s，而TOPSwitch的开关周期Tosc仅为10μs，也就是说一个自动重起动周期包括8×105多个开关周期。从而，我们可以得到一个自动重起动周期内的漏极电流波形如图3所示。其中Ilim增大的时间t=tLEB＋tILD，其中tLEB为前沿边缘消隐时间（典型值为180ns），tILD是限流延时（典型值为100ns）。从图3中可以看出，在一个自动重起动周期内，I会无限增大，这是因为由e=L·di/dt可解得i=te/L＋ioff。如果I的值足够大，就会造成输出MOSFET所承受的重复冲击应力过大而击穿，这是不允许的。所以，TOPWwitch要求其自动重起动只在很短的一段时间内工作，一般取典型值为12.5％的自动重起动占空比，以减少重复冲击应力的次数。 图4PWM比较器 图5开关管电压裕量配置选择 　　（3）电磁干扰 　　研制开关电源，电磁干扰是一个令人棘手的问题。主要的电磁干扰源经常是dv/dt非常大的开关管的漏极及散热器。而常规的开关管与金属底座相连接的恰恰是漏级，因此就产生了强烈的电磁干扰。如果采用TOPSwitch开关方案，就能很好地解决此问题。这是因为TOPSwitch系列器件采用了源极与外壳相连，使金属底座及散热器的dv/dt=0，从而降低了电磁干扰，收到了较好的效果。 　　（4）电压型控制方式与逐周峰值电流限制 　　一些文献把TOPSwitch看成是一种电流型控制方式的脉宽调制开关，这是不正确的。因为如图4所示，脉宽调制比较器的输入分别是振荡器输出的锯齿波电压和电压误差放大器输出的电压信号。因此，TOPSwitch应该是电压型控制方式。 　　此外，某些参考文献中所述的TOPSwitch为逐周电流限制工作方式的说法有误，应为逐周峰值电流限制。因为限流比较器的阈值是固定的，其限制值为Vlim/RDS(on)，随着结温的上升，输出MOSFET的RDS(on)将增大，而Vlim=VDS(on)是一个额定值，由VDS(on)=RDS(on)Ilim可知RDS(on)增大，Ilim必然减小，使MOSFET的导通损耗p=I2lim·RDS(on)下降，减小了MOSFET的发热。 3设计中需注意的问题 　　TOPSwitch系列器件可应用于许多不同结构的电源，如正向、反激、升压或反向拓朴等结构。在进行设计时，最关键的问题是变压器的设计，即如何求得一个最佳电感值的变压器，使TOPSwitch得到充分利用。这里以输入电压为220V±20％AC的反激式开关电源为例予以说明。 　　如图5所示，若反冲电压VOR=135V，此时取最大占空比Dmax=0.4，在最大输入电压Vmax=375V时，考虑到漏感产生的电势100V和反向阻断二极管正向恢复电压20V，有VDSmax=100＋135＋375＋20=630V，相应的电压裕量=700－630=70V，足以满足设计要求，如果按TOPSwitch数据手册中给出的Dmax=0.6进行设计，则在最小输入电压Vmin=250V时，求得反冲电压VOR=DVmin/(1－D)=375V此时，VDSmax=100＋250＋375＋20=745V大于700V，这是设计所不允许的。 　　又由平均输出功率PO等于输入电压与平均电流之积，即PO=UI=Vmin·0.5ImaxDmaxη，得到PO/Imax=40W/A（其中，Dmax取0.4，η取0.8）。若取PO/Imax=30W/A，求得Imax=PO/30W/A，由公式L=Eton/Ilim即可求得所需电感值。其中限流值Ilim=(1.1～1.2)Imax，ton=DT（T为开关周期）。因此，电感值过小会出现输出功率达不到设计要求，电感值过大也会出现这种情况，而且很可能由于出现电流连续的工作状态而导致电压尖峰增加的现象。 4结语 　　TOPSwitch是一种简捷的SMPS设计方案。当完全透彻地理解该产品的特性以后，就能够充分利用它设计出性能更加优越的开关电源。