现代电源技术2-41

图2－2 内部功能方框图
图2－3 专空比与控制脚电流的关系曲线
图2－4TOPS witch-2电路的起始工作波形
图2－5 TOPSwitch-2在三种工作状态下的典型波形



（1）控制脚电压Vc的供给 控制脚电压Vc是控制脚与源极脚之间的电源或者 偏置电压。一只外部旁路电容器紧接在控制脚与源极脚之间，以提供所需的 栅极驱动电流。接到该脚的总电容量CT又设置了自动再启动功能，也同样控 制回路的补偿。Vc被调整在两钟状态之一模式。滞后调整用于初始启动和过 载工作。分流调整则用于分离占空比误差信号，它来自控制电路的电源电流。 在启动期间，控制脚电流由高压开关电流源提供，该开关在IC内部接于漏极 脚和控制脚之间。电流源提供足够的电流供给控制电路，它也对总的外部电 容CT进行充电。 首先Vc升到较高的门限电压值（5.7V），此时高压电流源被关断，而脉 宽调制器和输出级晶体管则被激活，如图2-4(a)所示。在正常工作期间（即当 输出电压可调节时），反馈控制电流提供了Vc电源电流。分流调节器可维持 Vc在典型值（5.7V），它是通过分流控制脚上的反馈电流实现的。该电流超 过流经PWM误差信号采样电阻器RE上的所需直流电源电流。当用于初级反 馈接法时，该脚的动态阻抗与外部电阻值和电容器数值，共同确定了电源系 统的控制回路补偿量。 TOPSwitch-II电路的起始工作波形如图2-4所示，图中给出了正常工作时 和自动再启动时的两种不同波形。 如果让控制脚的外部电容CT放电到较低的门限电平，那么输出级 MOSFET将被关断截止，此时控制电路进入一个低电流的准备状态。而高压 电流源则被接通，并向外部电容再次充电。在图2-5中可看到，充电电流具有 图示的负极性，而放电电流则具有正极性。在图2-4(b)中，通过接通和关断 高压电流源，滞后的自动再启动比较器可维持Vc值介于典型的4.7~5.7V窗口 范围内。自动再启动电路具有一个八分频计数器，它能阻止输出级MOSFET 再次导通，知道八个放电－充电周期已经过去为止。通过把自动再启动占空 比减小到典型的5％，计数器能有效地限制TOPSwitch的功率损耗。自动再启 动作用连续进行到输出电压再次变为可调节为止，如图2-5所示。

2. TL431的电气参数 TL431外形见图，它相当于一只性能优良的稳压二极管。 · 阴极工作电压VKA: 2.5V（基准值）~37V（最大值） · 阴极工作电流IK: 1~100 m A (连续使用极限范围：-100~150 m A ) ; · 连续使用功耗:775mW(25℃); · 具有低动态输出电阻：0.22Ω · 基准输入电流范围：-50u A~ 10 m A ; · 参考电压源误差：±1.0%; · TL431的工作温度范围：0~70℃，全范围内温度特性平坦：50pptm/℃。 二、低压光耦控制电路试验，初步确定几个电阻值 由图电路结构，将TL494的1脚接地，2脚和15脚均接一半的参考基准电压 Vr/2=2.5V,它的16脚接过流检测电路。假定死区时间控制电路设计，已经确保 TL494的最大输出脉宽，不超过40%的振荡周期，即τmax≤0.4T（最大占空比为 0.5）。在TL494的工作频率为80kHz 时，其振荡周期为12.5us,死区控制使IC 最 大输出脉宽为5us。根据4N35和TL431的工作参数，在正常工作条件下设光耦 合控制器一次侧与二次侧两端电流为5~10 mA, TL494的3脚控制电压值低于 2.5V时输出脉宽最大，当3脚电压值高于3.6V时，则输出脉宽缩小到0（消失）， 见图所示。 R7+R8=15V/（5~10mA）=3~1.5(kΩ)
2-2-4
PWM控制与驱动电路
TL494 SMPS控制器 特性： •内置校准器提供稳定的5V参考电压。 •TR输出可提供200mA的电流。 •输出可控制推挽式或单端式操作。 •多任务的死区控制（ Pin4）和PWM控制单元。 •片上晶振的主从操作。 •每个输出口有内置双倍脉冲禁止回路。
内部原理图：
图2－1 TOPSwitch-II简化外围电路与两种封装的外形图
TOPSwitch器件三个引脚的功能简要如下： 漏极脚（DRAIN）：接输出管MOSFET漏极，在启动工作时，经过内 部开关电流源提供内部偏置电流。该脚还是内部电流检测点。 控制脚（CONTROL）：是误差放大器和反馈电流输入脚，以控制占空 系数。正常工作时内部分流调节器接通，提供内部偏置电流。该脚也接 电源旁路和自动再启动/补偿电容器。 源极脚（SOURCE）：再TO-220封装中，它是输出级MOSFET的源极连 线，接直流高压和主变压器原边电路的公共端与参考点；在DIP封装中， 它是原边控制电路公共端和参考点，并且有6个引出脚接地。 TOPSwitch-II器件是一种具有自身偏置和保护功能的变换器，它用 线性控制电流来改变占空比，能断开漏极输出端。它利用CMOS和集成 尽可能多的功能来实现高效率。与双极管和分立元件电路相比，重要的 是CMOS减少了偏置电流，集成化使其省略了几个外部功率电阻器。它 们原设计用于电流采样或提供初始启动电流。 如图2-3所示，在正常工作期间，内部输出级MOSFET的占空比， 使随着控制脚电流的增大而线性地减小。为了执行所有必要的控制、偏 置和保护功能，漏极脚和控制脚分别完成下面所述的几项功能（可参见 图2-2和图2-5中的TOPSwitch集成电路之定时脉冲波形与电压波形）。
（2）带隙参考基准 所有临界的TOPSwitch内部电压，都由一个温度补偿的带隙 参考基准得出。该参考基准也用于产生一个温度补偿的电流源，它被微调节 在精确设置的振荡频率和调节MOSFET栅极的驱动电流。 （3）振荡器 内部振荡器对内部电容器线性地进行充电和放电，它在两个电压电 平之间产生锯齿波形，并送往脉冲宽度调制器。该振荡器在每个周期开始时， 置位脉冲宽度调制 器和电流限制闭锁器。在电源应用中选择100kHz额定频率，可使电磁干扰最 小，并使效率最高。微调电流基准可改进振荡频率精度。 （4）脉冲宽度调制器 脉冲宽度调制器提供电压型控制环，以驱动输出级 MOSFET，其占空比与流入控制脚的电流成反比例。该脚在RE两端产生一个 电压误差信号。RE两端的误差信号由一个典型角频率为7kHz的RC网络加以滤 波，以减少开关噪声的作用。该滤波误差信号与内部振荡器锯齿波相比较， 产生一定占空比的波形。当控制电流增加时，占空比则减小。由振荡器产生 的时钟信号置位一个寄存器，它使输出级功率管MOSFET变为截止。 占空比是由内部振荡器的对称性能来调节。调制器导通时间最短，可保持 TOPSwitch的电流消隐不受误差信号的影响。注意到在占空比开始变化之前， 必须使注入控制脚的电流为最小值。 （5）栅极驱动器 设计栅极驱动器是在一个受控的速率时使输出级MOSFET导通， 从而使共模电磁干扰减到最小。栅极驱动电流可微调节以改进精度。
2-2-5取样与误差控制电路
+15V
R4
1 R1 7.6k 0.1u R3 3.3K 2 4 R7 2 5 1
+15V144N35来自TL4949 10
3
TL431
W1
R8
R2
TL431功能方框图与内部等效电路
一.4N35、TL431的工作特性与主要电气参数 要正确计算TL431光电耦合控制系统4N35/TL431的外围电路元件值，需要首先了解4N35 和TL431的 工作特性与主要电气参数。从图看出，4N35光电耦合器件的控制端（又称 一次侧）是一只二极管，上方（正极）接正电压，下方（负极）接TL431的阴极（实际 上是接TL431内的一只三极管集电极脚，并通过导通的三极管对地构成回路）。4N35 的受控端是一只三极管（又称二次侧），它的集电极接+15V供电电压，它的发射极经 两个分压电阻器接地，控制电压从分压器中点引出加到TL494的输入端。正常工作时， 二极管电流引起的光电效应，使三极管也出现工作电流。查找光电器件手册得到如下 电气参数： 1. 4N35的主要工作特性与极限参数值 （1）极限值：一次侧 IFmax=60mA,PD1(max)=100Mw; VRmax=6V 二次侧 VCEmax=30V(Vcc),PD2max=300mW; IOLmax=100Ma; 全体（两侧间）：最小直流冲击隔离电压值为3500V（-55~+100T℃）。 （2）工作特性： 一次侧 VFmax/IF=1.5V/10mA(发射体最大正向电压)； CJmax(典型值)=100pF; 二次侧 trmax(典型值)=10us(上升时间) tfmax(典型值)=10us(上升时间);hfemin=100; 一次侧与二次侧之间 CTRmin/IF=100%/10mA(最小电流传送速率)， VCESmax/ IF、IC=0.3V/10mA,0.5A(检测器最大VCE)， C1-2max(典型值)=2.5p F。 4N35的工作速率（或带宽）：150kHz 。
2-2-4-1 三脚PWM/MOSFET复合单片TOPSwitch-2电路 TOPSwitch-2性能
1 功率范围明显扩大：在宽值输入交流电压（85－265V）时，最大输出功率由50W扩大到90W
;
在单值交流输入电压（110/115/230V)时，输出功率范围由100W扩大到150W；应用领域拓宽到小型 电视机和显示器，音响放大器等。 2 电路设计新特点：AC/DC变换效率提高到90％只有三个引脚的单片IC综合了控制系统，驱动电路， 功率MOSFET,脉宽调制，高压启动电路，环路补偿调节，故障保护电路等功能；TOP器件的 线性控制特性，在低成本上具有竞争力。 3 TOPSwitch-2有二种封装形式。除三脚TOP-220外，还有8脚DIP封装中有6个引脚接地，用于增大 散热功能，特别有利于微型电器设备的电源安装设计。 4引脚最少(DIP也只有三个有效接点）TOPSwitch,却集成了100KHZ脉宽调制稳压电源所需所有功能： 自设高压偏置电流源，偏分流调节器/误差电压放大器、振荡器、带隙参考基准、恒频的PWM、 受控导通的栅极驱动器、前沿消隐和自动保护功能。 5.该TOPSwitch输出极是可控导通速度的高压N沟道、低输出电容MOSFET,从功率管漏源低导通电阻 取样来控制导通时间。受控导通减少了开关电压的变化速率，它同连接散热片的源极一起，明 显减少了电磁干扰和系统噪声，使滤波器成本降到最低。 6. TOPSwitch具有完善的多种自动保护功能电路：过流限制、过压切断、欠压锁定、过热关闭、短路 保护等、 7. TOPSwitch－II的外围电路很简单，只需要十几只器件，就能制作高性能的小型电源。它的集成度 高，电路设计简化，比分立元件电路减少15～20只元件，并允许采用单面PCB板，可用于离线 反馈式、正向激励式和升压式功率因数校正等电源。