前言

　　電子電路中的運算放大器是高度精密器件，對電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性有極嚴(yán)格的指標(biāo)要求。目前的運放電源普遍采用PWM開關(guān)電源形式。其中，常用的它激式開關(guān)電源一般采用集成電路如TL494、UC3842等配以相關(guān)外圍元件，產(chǎn)生PWM信號驅(qū)動開關(guān)管，使變換電路工作在開關(guān)狀態(tài)，經(jīng)整流濾波終實現(xiàn)DC/DC變換。這種方式振蕩頻率穩(wěn)定，并且通過反饋電路容易實現(xiàn)過流、過壓保護。為了追求電源的小型化和低成本，人們不斷發(fā)明一些復(fù)合型集成電路，其中以TOPSwitch系列集成電路有代表性。該器件集PWM信號控制電路和功率開關(guān)器件MOSFET于一體，外形類似普通的功率晶體管，具備了PWM開關(guān)穩(wěn)壓電源所需的全部功能。此種電路構(gòu)成的電源與前述電源相比較，電路穩(wěn)定性更高，外圍元器件更少，電路結(jié)構(gòu)簡潔，設(shè)計和調(diào)試也更為容易，是運算放大器及調(diào)理電路的理想電源。本文從應(yīng)用角度對TOPSwitch系列集成電路的原理及實用電路的設(shè)計進行討論。

　　TOPSwitch芯片結(jié)構(gòu)與工作原理

　　TOPSwitch芯片由美國POWER公司設(shè)計，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。電路采用CMOS制作工藝，內(nèi)置MOSFET功率開關(guān)管。該器件外部僅有三個控制管腳，D(漏極)為主電源輸入端，連接內(nèi)部MOSFET漏極；C(控制)為誤差放大電路和反饋電流信號輸入端，利用控制電流調(diào)節(jié)占空比；S(源極)連接內(nèi)部MOSFET的源極，是電源公共端，也是控制電路的基準(zhǔn)點。

圖1　TOPSwitch芯片結(jié)構(gòu)

　　TOPSwitch芯片特別適宜制作功率不大于100W的小型電源。TOPSwitch系列電路芯片有多種型號，由于型號和功率

　　比較器A2的基準(zhǔn)電壓設(shè)置為5.7V，當(dāng)UC高于5.7V時，A2輸出高電平。與此同時，PWM控制電流經(jīng)電阻R與振蕩器輸出的鋸齒波電流分別輸入PWM比較器A3的+、-輸入端，這時因反饋控制電流較小，從A3反向端輸入的鋸齒波信號經(jīng)門電路G3和G4送至RS觸發(fā)器B2的復(fù)位端。在鋸齒波信號和時鐘信號的共同作用下，RS觸發(fā)器的輸出端Q被置為高電平，G4由振蕩信號的控制，然后經(jīng)兩次反相，送到開關(guān)管F2的柵極，開關(guān)管處于開關(guān)狀態(tài)，電源正常工作。

　　電路啟動結(jié)束，UC升至門限電壓(+4.7V)，A2輸出高電平，驅(qū)動電子開關(guān)動作，控制電路的供電切換至內(nèi)部電源。正常工作條件下，電路芯片通過外圍電路形成電壓負(fù)反饋閉環(huán)控制，調(diào)節(jié)開關(guān)管的占空比，實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。

　　TOPSwitch芯片有獨特的自啟動功能，當(dāng)電源輸出呈現(xiàn)下述狀態(tài)，電路轉(zhuǎn)入自啟動工作，實現(xiàn)保護的目的：(1)負(fù)載短路造成輸出電壓嚴(yán)重下降；(2)人為降低UC的電壓使系統(tǒng)處于待機狀態(tài)。在正常工作條件下，UC由電壓負(fù)反饋電路決定：當(dāng)電源輸出電壓由于某種原因上升，使UC升高，內(nèi)部采樣電阻RE上端的誤差電壓URE升高，與振蕩器輸出的鋸齒電壓由A3比較后，輸出控制使輸出電壓的占空比減小，電源輸出電壓則下降；當(dāng)輸出電壓下降時，情況則相反。在自啟動階段(控制極電壓UC低于門限電壓+5.7V時)，控制電路進入低功耗的待命狀態(tài)。此時，由于比較器A2的滯回特性，電子開關(guān)頻繁在高壓電流源和內(nèi)部電源之間進行切換，使得UC值保持在4.7～5.7V之間。自啟動電路由8分頻計數(shù)器完成延時功能，阻止輸出級MOSFET管F2連續(xù)導(dǎo)通，直到8個充電/放電周期完全結(jié)束后，才可再次導(dǎo)通。在自啟動期間，MOSFET管的占空比被控制在5%左右，限制電路輸出電壓和產(chǎn)生功耗。TOPSwitch電路芯片通過預(yù)置UIMAX值來實現(xiàn)過流保護。芯片內(nèi)部設(shè)有精密溫度檢測電路，當(dāng)MOSFET的結(jié)溫高于145℃時，控制電路截MOSFET，實現(xiàn)過熱保護。

　　典型應(yīng)用電路設(shè)計

　　圖2是一個采用TOP204YAI設(shè)計的24V/50W高運算放大器電源的典型實用電路。該電路的工作原理是，從高頻整流輸出端引出的電壓信號經(jīng)光電耦合器IC2送至TOP開關(guān)IC1的控制端C，通過TOP器件控制PWM的占空比實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。可調(diào)穩(wěn)壓管IC3串聯(lián)在光電耦合器IC2發(fā)光管回路，調(diào)整取樣電阻VRl可以改變IC3的穩(wěn)壓值，從而導(dǎo)致流過IC2陰極和陽極的電流變化，達(dá)到改變反饋深度，對輸出電壓實現(xiàn)微調(diào)。一旦輸出端出現(xiàn)過流或短路現(xiàn)象，取樣電阻VRl上電壓降低，IC3控制端電流減少，流過IC3電流減少，光電耦合器IC2發(fā)光二極管的亮度下降，光電三極管截止，IC1停止工作。該電路在輸入端加入了電源噪聲濾波器PNF和限流熱敏電阻NTC，并在開關(guān)變壓器初級用Rl、C2、D1組成的尖峰電壓吸收電路，增加了電路的可靠性。

圖2　TOPSwitch實用電路

　　該電路無須調(diào)整，加電即可工作，輸出電壓非常穩(wěn)定。和同類電路相比，減少元器件30只左右，減少重量約40%，效率可達(dá)92%，成本顯著降低。