摘要：TOPSwitch－FX系列芯片通过改进布局，集成了新功能，降低了系统造价，同时也提高了设计的灵活性以及性能和能耗效率。文中介绍了新型TOPSwitch－FX系列中TOPS232～234芯片的结构、特点及典型应用。
    关键词：TOPSwitch－FX；TOP232～234芯片；软启动；周期跳跃；滞后热关断

1. 概述

　　TOPSwitch－FX系列TOPS232～234芯片采用改进的TOPSwitch技术制造而成。它把高压功率MOSFET管、PWM控制、保护及其它控制功能集成到了一个CMOS芯片中。TOPS232～234另加了两个引脚，第一个是多功能(M)引脚，它能执行可编程线性OV/UV关闭及利用线性电压提供线性交馈并减少DCmax(最大占空比)，该脚还可以用来在外部准确地设置限流值，在任何一种情况下都可以用作远程ON/OFF控制或者使振荡器与外部较低频率的信号同步；第二个是频率(F)引脚，它只出现在Y类封装中，可用于在接到引脚控制(C)时提供半频率选择。将该脚接到源极(S)引脚时不发挥效能，这一特点可使系统工作于三端TOPSwitch态，同时具有多种优良性能：如软启动、周期跳跃、130kHz的转换频率、频率跳变、更宽的DCmax和滞后热关断等。另外，它与TOPSwitch－Ⅱ系列比起来，所有的关键参数如频率、电流范围、PWM增益等等都具有更好的温度性能及抗干扰能力。更高的限流精度和更大的DCmax使得TOPSwitch－FX设备的输出功率与TOPSwitch－Ⅱ比起来，在相同情况下可提高10％～15％。
　　TOPS232～234的主要特点如下：
　　●可减少外围器件的耗费；
　　●全集成的软启动功能可最大限度地减少功率器件的电压电流应力；
　　●可以由用户设置精确的限流值；
　　●可获得最大的占空比；
　　●具有线性限压检测：无关断尖峰干扰；
　　●超出波动范围时可实现线性过压关断；
　　●用单电阻设置OV/UV门限；
　　●频率跳变时可减少EMI及EMI滤波损耗；
　　●可调至零负载；
　　●130kHz的频率减少了变换器/供电电源的尺寸；
　　●具有自动恢复的滞后热关断功能；
　　●具有大幅度的温度滞后，可防止印制电路板过热；
　　●有主控开和主控关的远程ON/OFF功能；
　　●可与较低频率同步。

2. 管脚功能描述

　　漏极(D)管脚：高压功率MOSFET管漏极输出。通过此脚从高压开关电流源输入内部启动偏置电流。

　　控制(C)管脚：用于调节占空比的误差放大器与电流输入脚。在正常操作期间通过连接至内部分流调节器来提供内部偏置电流。也可以作为电源的旁路和自动重起/补偿电容的连接点。
　　多功能(M)引脚：作为OV、UV、用于减少DCmax的线性前馈、外部电流限流值设置、远程ONOFF控制及与外部低频信号同步的输入脚。将其连接到源极引脚时，器件的所有功能丧失，从而可使TOPSwitch－FX工作在简单的三端状态(如同TOPSwitch－Ⅱ)。
　　频率(F)引脚(仅限Y类封装)：用于选择开关频率的输入引脚，连接至源极引脚时为130kHz，连接至控制引脚时为65kHz。只有在P、G类封装中，开关频率才被内部设置为130kHz。
　　源(S)引脚：将其连接至输出MOSFET源极时可得到高压功率回馈。TOPS232～234的功能方框图如图1所示。

3. 应用电路

3.1 30W高效通用输入电源
　　图2所示是采用TOPSwitch－FX来降低系统代价和供电电源尺寸的应用电路。在环境温度为50℃、输入交流电压为85～265V、输出电压为12V、输出功率为30W时，采用TOP234所组成的电路可以在满载时达到80％的标称效率。
　　通过电阻R1与R2可以在外部将限流值设为略高于默认限流值70％的操作峰值电流的低限，以减小对于给定输出功率时转换磁芯的尺寸，提高转换初级电感，从而减少TOPSwitch－FX的功耗，同时防止在起动及稳定输出时转换磁芯出现饱和。电阻R1提供的前向反馈信号可在升高线性电压的同时减小限流值，进而限制高输入线性电压时的最大过载输出。前向反馈功能与内置软启动功能结合在一起可以在更高的反射电压时通过在最坏情况下安全地将TOPSwitch－FX的漏压限制在一适合的范围之内，这样，可以采用低成本的RCD钳位电路。由于TOPSwitch－FX具有扩展最大占空比性能，因而可以使用较小的输入电容(C1)。扩展最大占空比与更高的反射电压及RCD钳位性能够减小次级整流管D8上的峰值翻转电压。60V的肖特基整流二极管用来提供15V的输出电压，从而大大提高了供电电源的效率。使用TOPSwitch－FX可消除在进行无负载调节时使用虚负载并减少无负载/备用的供电消耗。频率跳变改善了满足CISPR(FCC B)要求的EMI传导容限。在此应用中我们用一简单齐纳灵敏回路来减少成本。输出电压取决于齐纳二极管的电压。

3.2 35W多输出供电电源
　　图3为多输出机项盒的一个典型应用电路，它具有35W五路输出及次级调节供电功能。可应用于交流230V输入，并可以工作于100VAC或115VAC的双输入状态。
　　压敏电阻R1(2MΩ)用来进行欠压检测(1000V时)、过压关断(450V时)及在降低DCmax的同时进行线性前馈。欠压检测可保证在功率下降的情况下输出没有干扰。过压关断在输入直流电压高于450V时关闭TOPSwitch－FX的MOSFET管，以消除反射电压及漏感尖峰信号，进而将抗浪涌的能力提高至MOSFET的700V额定直流电压，该特征可使那些经常出现线电压浪涌的国家避免场失败的发生。
　　本电路的设计还利用了软启动和其更高的工作频率来减小转换器的尺寸。用R4、C4组成阻尼回路能减少可能影响电视接收转换波形的微分辐射视频干扰。在对视频干扰敏感的应用中可以通过将频率脚连接至控制引脚来使能半频率选择，从而在不严重影响效率的情况下进行更大程度的缓冲。
　　本电路通过R9、R10、R11来传输双重感应光耦合反馈，从而使得在输出电压3.3V和5V时负载有±5％的调节度。通过设置变换器变换比可以得到不同的输出电压。低功率时的5V输出电压可以通过电阻R12和齐纳二极管VR2来调节。在轻负载的情况下我们采用虚负载电阻R13来进行30V电压的调节。电阻R8和电容C7用于对TL431进行补偿。并决定初级回路的补偿和自动重起频率。该电路在整个交流输入范围内，其满载工作效率都大于75％，初级钳位元件VR1和D1可将峰值漏极电压限制在安全范围以内。

　　TOPSwitch－FX的频率跳变有助于减小EMI，选择合适的电容CY1和滤波器件(CX1、L1)可以将泄漏限制在低于CISPR22(FCCB)的水平上。为减小常态电流与TOP232耦合所造成的干扰，应将Y1固定在正向直流输入端。另外，可通过一附加的275V的MOV(RV1)来抵抗3kV的雷击。
3.3 处理器控制开关的供电电源
　　在一些应用中，我们希望使用低功耗瞬时接触开关来控制TOPSwitch－FX的电源开关。利用图4所示的低功耗远程关断性能可在只需极少数外部元件的情况下完美地完成这一功能。只要瞬时接触键开关P1被按下，光耦合管就会导通并将该动作告知微处理器。起初，当电源关闭时，闭合P1时会将TOPSwitch－FX的M引脚通过一个二极管(远端)短接到源极，从而启动供电电源。在次级输出建立起来之后，处理器开始工作，并通过由光耦合管U3输出所驱动的开关状态输入来确认开关P1处于闭合状态，然后微处理器通过光耦管U4发出一电源控制信号来控制通路的电源。如果用户再次按下开关P1来关闭系统的话，微处理器通过U3检测到这一命令后执行内定的关闭程序。例如在喷墨打印机中，关闭程序包括将打印头安全的停放在存储区域等功能。在盘式驱动器中则会将数据或设置保存到盘内。当关闭程序执行完毕以后，可以安全关掉电源，同时微处理器通过关断U3来释放M引脚。若手动开关及光耦管U3、U4距M引脚较远，在M管脚悬空时，需要用一个电容来防止干扰信号的耦合进入。
　　我们也可以通过用一逻辑信号来驱动光耦管U4，从而通过局域网或串口来远程闭合供电电源。有时候通过电缆发送一系列逻辑脉冲信号要比用一直流逻辑电平作为唤醒信号容易的多。这时，可以用一简单RC滤波来产生驱动U4的直流电平(图4中没有画出)。此远程关断性能可以用来唤醒打印机、扫描仪、外置调制解调器、盘式驱动器等计算机外围设备。使用该电路可以在设备空闲一段时间以后自动关闭电源以节省电能。
　　通过以上应用实例，可以看到TOPSwitch－FX具有关断及工作时的低功耗、低电压/电流、瞬时接触开关、无回波、无需外部限流回路、无需高压阻抗、瞬时变化不会影响开关状态等优良性能。

4. 应用注意事项

4.1 TOPSwitch－FX的选择
　　使用何种TOPSwitch－FX应根据所需的最大输出功率、效率、温度限制等参数以及价格等因素进行选择。如果外部能够减小限流值，那么，在要求效率较高或所需散热很小的低功率应用中可以选择大一些的TOPSwitch－FX。
4.2 输入电容
　　在选择电容时，必须使转换器在最低标称电压和最大输出功率时可以调节。对下一个设计合理的变换器来说，2μF/W的电容足够了。
4.3 初级钳位及输出反射电压
　　应当使用一钳位电路来限制TOPSwitch－FX的漏源极电压。齐纳钳位只需很少的元件并占用很少的空间。为获得较好的效率，钳位齐纳管的电压至少应是输出反射电压Vor的1.5倍，这样能减少泄漏尖峰信号的导通时间。在通常的应用中若使用齐纳钳位，就要求Vor低于135V以允许齐纳管的绝对干扰和温度漂移。这样可以保证钳位电路高效工作，同时也使最大漏极电压低于TOPSwitch－FX MOSFET的允许电压。
　　为了充分利用TOPSwitch－FX更宽的DCmax性能，Vor应该很高。另外，当设计中工作电流大大低于缺省限流值时，可在外部设置限流值以使其接近工作电流的峰值，从而减少磁通强度和峰值功率。
4.4 备用消耗
　　周期跳跃，尤其是使用齐纳钳位时可以显著地降低无负载时的功率消耗。为此可以采用TL431调节器来进行反馈控制，从而使得次级消耗降到最低。另外，将正常工作下的130kHz降为轻载时的65kHz也可以显著地降低开关损耗。