现代电源技术幻灯片.ppt
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1、现代电源技术第1页,共18页,编辑于2022年,星期日图图图图2 21 TOPSwitch-II1 TOPSwitch-II简化外围电路与两种封装的外形图简化外围电路与两种封装的外形图简化外围电路与两种封装的外形图简化外围电路与两种封装的外形图第2页,共18页,编辑于2022年,星期日 TOPSwitchTOPSwitch器件三个引脚的功能简要如下:器件三个引脚的功能简要如下:漏极脚(漏极脚(漏极脚(漏极脚(DRAINDRAIN):):):):接输出管接输出管MOSFETMOSFET漏极,在启动工作时,经过内部开关电漏极,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
2、。流源提供内部偏置电流。该脚还是内部电流检测点。控制脚(控制脚(控制脚(控制脚(CONTROLCONTROL):):):):是误差放大器和反馈电流输入脚,以控制占空系数。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和自动再启动/补偿电容器。补偿电容器。源极脚(源极脚(源极脚(源极脚(SOURCESOURCE):):):):再再TO-220TO-220封装中,它是输出级封装中,它是输出级MOSFETMOSFET的源极连线,接的源极连线,接直流高压和主变压器
3、原边电路的公共端与参考点;在直流高压和主变压器原边电路的公共端与参考点;在DIPDIP封装中,它是原边控封装中,它是原边控制电路公共端和参考点,并且有制电路公共端和参考点,并且有6 6个引出脚接地。个引出脚接地。TOPSwitch-IITOPSwitch-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。它利用流来改变占空比,能断开漏极输出端。它利用CMOSCMOS和集成尽可能多的功能来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,重要的是实现高效率。与双极管和分立元件电路相比,
4、重要的是CMOSCMOS减少了偏置电流,集成减少了偏置电流,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。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。如图如图2-32-3所示,在正常工作期间,内部输出级所示,在正常工作期间,内部输出级MOSFETMOSFET的占空比,使随着控制脚电的占空比,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(可参见图制脚分别完成下面所述的几项功能(可参见图2-22
5、-2和图和图2-52-5中的中的TOPSwitchTOPSwitch集成电路之集成电路之定时脉冲波形与电压波形)。定时脉冲波形与电压波形)。第3页,共18页,编辑于2022年,星期日 图图2 22 2 内部功能方框图内部功能方框图 第4页,共18页,编辑于2022年,星期日图图2 23 3 专空比与控制脚电流的关系曲线专空比与控制脚电流的关系曲线第5页,共18页,编辑于2022年,星期日 图图2 24TOPS witch-24TOPS witch-2电路的起始工作波形电路的起始工作波形第6页,共18页,编辑于2022年,星期日 图图2 25 TOPSwitch-25 TOPSwitch-2在三
6、种工作状态下的典型波形在三种工作状态下的典型波形第7页,共18页,编辑于2022年,星期日 n n(1 1)控制脚电压)控制脚电压)控制脚电压)控制脚电压VcVc的供给的供给的供给的供给 控制脚电压控制脚电压VcVc是控制脚与源极脚之间的电源或者偏置电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。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接到该脚的总电容量CTCT又设置了自动再启动功能,也同样控制回路的补偿。又设置了自动再启动功能,也同样控制回路的补偿。VcVc被调整在被调整在两钟
7、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,该开关在压开关电流源提供,该开关在ICIC内部接于漏极脚和控制脚之间。电流源提供足够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的电流供给控制电路,它也对总的外部电容CTCT进行充电。进行充电。n n首先首先VcVc升到较高的门限电压值(升到较高的门限电压值(5.7V5.7V)
8、,此时高压电流源被关断,而脉宽调制),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,如图器和输出级晶体管则被激活,如图2-4(a)2-4(a)所示。在正常工作期间(即当输出电压可调所示。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节时),反馈控制电流提供了VcVc电源电流。分流调节器可维持电源电流。分流调节器可维持VcVc在典型值(在典型值(5.7V5.7V),它),它是通过分流控制脚上的反馈电流实现的。该电流超过流经是通过分流控制脚上的反馈电流实现的。该电流超过流经PWMPWM误差信号采样电阻器误差信号采样电阻器RERE上上的所需直流电源电流。当用于初级反馈接法时,
9、该脚的动态阻抗与外部电阻值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。和电容器数值,共同确定了电源系统的控制回路补偿量。n nTOPSwitch-IITOPSwitch-II电路的起始工作波形如图电路的起始工作波形如图2-42-4所示,图中给出了正常工作时和自所示,图中给出了正常工作时和自动再启动时的两种不同波形。动再启动时的两种不同波形。n n如果让控制脚的外部电容如果让控制脚的外部电容CTCT放电到较低的门限电平,那么输出级放电到较低的门限电平,那么输出级MOSFETMOSFET将被将被关断截止,此时控制电路进入一个
10、低电流的准备状态。而高压电流源则被接通,并关断截止,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。在图向外部电容再次充电。在图2-52-5中可看到,充电电流具有图示的负极性,而放电电流则中可看到,充电电流具有图示的负极性,而放电电流则具有正极性。在图具有正极性。在图2-4(b)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VcVc值介于典型的值介于典型的4.75.7V4.75.7V窗口范围内。自动再启动电路具有一个八分频计数器,它能窗口范围内。自动再启动电路具有一个八分频计数器
11、,它能阻止输出级阻止输出级MOSFETMOSFET再次导通,知道八个放电充电周期已经过去为止。通过把再次导通,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自动再启动占空比减小到典型的5 5,计数器能有效地限制,计数器能有效地限制TOPSwitchTOPSwitch的功率损耗。自的功率损耗。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2-52-5所示。所示。第8页,共18页,编辑于2022年,星期日(2 2)带隙参考基准)带隙参考基准)带隙参考基准)带隙参考基准 所有临界的所有临界的TOPSwitchTOP
12、Switch内部电压,都由一个温度补偿的带隙参考基准得出。该内部电压,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MOSFETMOSFET栅极的驱动电流。栅极的驱动电流。(3 3)振荡器)振荡器)振荡器)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,置位脉冲宽度调制形,并送往脉冲宽度调制器。
13、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。在电源应用中选择器和电流限制闭锁器。在电源应用中选择100kHz100kHz额定频率,可使电磁干扰最小,并使额定频率,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。效率最高。微调电流基准可改进振荡频率精度。(4 4)脉冲宽度调制器)脉冲宽度调制器)脉冲宽度调制器)脉冲宽度调制器 脉冲宽度调制器提供电压型控制环,以驱动输出级脉冲宽度调制器提供电压型控制环,以驱动输出级MOSFETMOSFET,其占空比与,其占空比与流入控制脚的电流成反比例。该脚在流入控制脚的电流成反比例。该脚在RERE两端产生一个电压误差信号。两端
14、产生一个电压误差信号。RERE两端的误差信两端的误差信号由一个典型角频率为号由一个典型角频率为7kHz7kHz的的RCRC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,它使输出级功率管器产生的时钟信号置位一个寄存器,它使输出级功率管MOSFETMOSFET变为截止。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,可保持占
15、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TOPSwitchTOPSwitch的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。为最小值。(5 5)栅极驱动器)栅极驱动器)栅极驱动器)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设计栅极驱动器是在一个受控的速率时使输出级MOSFETMOSFET导通,从而使共导通,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。模电磁干扰减到最小。栅极驱动电流可微调节以改进精度。第9页,共18页,编辑于
16、2022年,星期日 n n(6 6)误差放大器)误差放大器)误差放大器)误差放大器 在初级反馈应用时,分流调节器也能完成一个误差放大器的功能。该分流在初级反馈应用时,分流调节器也能完成一个误差放大器的功能。该分流调节器的电压,是由温度补偿的带隙参考基准电压精确地加以提供的。误差放大器的增益,调节器的电压,是由温度补偿的带隙参考基准电压精确地加以提供的。误差放大器的增益,则由控制脚的动态电阻来设定。控制脚把外部电率信号箝位在则由控制脚的动态电阻来设定。控制脚把外部电率信号箝位在VcVc电压电平上。超过电源电电压电平上。超过电源电流的控制脚电流,则由分流调节器加以分离,并作为误差信号流过流的控制脚
17、电流,则由分流调节器加以分离,并作为误差信号流过RERE。n n(7 7)逐个周期式电流限制)逐个周期式电流限制)逐个周期式电流限制)逐个周期式电流限制 逐个周期式峰值漏极电流限制电路,是利用输出级逐个周期式峰值漏极电流限制电路,是利用输出级MOSFETMOSFET的导通电的导通电阻作为采样电阻器。电流限制比较器把输出级阻作为采样电阻器。电流限制比较器把输出级MOSFETMOSFET导通状态是的漏源电压与门限电压相比较。导通状态是的漏源电压与门限电压相比较。高的漏极电流使高的漏极电流使VDSVDS超过门限电压,并使输出级的超过门限电压,并使输出级的MOSFETMOSFET截止,直到下一个时钟周
18、期开始之前。电截止,直到下一个时钟周期开始之前。电流限制比较器的门限电压是受温度补偿的,由于温度影响改变输出级流限制比较器的门限电压是受温度补偿的,由于温度影响改变输出级MOSFETMOSFET的导通电阻的导通电阻RDS(ON)RDS(ON)值,它使有效峰值电流限制的变化减到最小。值,它使有效峰值电流限制的变化减到最小。n n在输出级在输出级MOSFETMOSFET导通之后的一个短时间里,前沿消隐电路将阻止电流限制比较器工作。因前沿消导通之后的一个短时间里,前沿消隐电路将阻止电流限制比较器工作。因前沿消隐时间已被确定,故由原边电容和副边整流器反向恢复引起的电流尖峰,将不会造成开关脉冲过早地结束
19、。隐时间已被确定,故由原边电容和副边整流器反向恢复引起的电流尖峰,将不会造成开关脉冲过早地结束。n n(8 8)关闭与自动再启动)关闭与自动再启动)关闭与自动再启动)关闭与自动再启动 为了使为了使TOPSwitchTOPSwitch的功耗降到最低,如果维持输出可调节的条件,则关的功耗降到最低,如果维持输出可调节的条件,则关闭与自动再启动电路,是在占空比为闭与自动再启动电路,是在占空比为5 5典型值时使电源导通和截止。当丧失调节能力时,将中断外部典型值时使电源导通和截止。当丧失调节能力时,将中断外部电流进入控制脚。电流进入控制脚。VcVc地调节可使分流状态变为滞后的自动再启动状态。当故障条件消除
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