单片开关电源的发展及其应用

单片开关电源集成电路具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标、能构成高效率无工频变压器的隔离式开关电源等优点。它于90 年代中、后期相继问世后，便显示出强大的生命力，目前它成为国际上开发中、小功率开关电源、精密开关电源及电源模块的优选集成电路。由它构成的开关电源，在成本上与同等功率的线性稳压电源相当，而电源效率显著提高，体积和重量则大为减小。这就为新型开关电源的推广与普及，创造了良好条件。

开关电源被誉为高效节能电源，它代表着稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品。近20 多年来，集成开关电源沿着下述两个方向不断发展。第一个方向是对开关电源的核心单元——控制电路实现集成化。1997 年国外首先研制成脉宽调制（PWM）控制器集成电路，美国摩托罗拉公司、硅通用公司（Silicon General）、尤尼特德公司（Unitrode）等相继推出一批PWM 芯片，典型产品有MC3520 、SG3524 、UC3842 。90 年代以来，国外又研制出开关频率达1MHz 的高速PWM 、PFM（脉冲频率调制）芯片，典型产品如UC1825 、UC1864 。第二个方向则是对中，小功率开关电源实现单片集成化。这大致分两个阶段：80 年代初意－法半导体有限公司（SGS－Thomson）率先推出L4960 系列单片开关式稳压器。该公司于90 年代又推出了L4970A 系列。其特点是将脉宽调制器、功率输出级、保护电路等集成在一个芯片中，使用时需配工频变压器与电网隔离，适于制作低压输出（5.1～40V）、大中功率（400W 以下）、大电流（1.5A～10A）、高效率（可超过90%）的开关电源。但从本质上讲，它仍属DC/DC 电源变换器。

1994 年，美国动力（Power）公司在世界上首先研制成功三端隔离式脉宽调制型单片开关电源，被人们誉为“顶级开关电源”。其第一代产品为TOPSwitch 系列，第二代产品则是1997 年问世的TOPSwitch-II 系列。该公司于1998 年又推出了高效、小功率、低价格的四端单片开关电源TinySwitch 系列。在这之后，Motorola 公司于1999 年又推出MC33370 系列五端单片开关电源，亦称高压功率开关调节器（HighVoltage Power Switching Regulator）。目前，单片开关电源已形成四大系列、近70 种型号的产品。 TOPSwitch-11

根据封装形式，TOPSwitch－II 可划分成三种类型：TOP221Y~227Y（TO-220 封装），TOP221P~224P（DIP-8 封装），TOP221G~224G（SMD-8 封装），产品分类详见表１ 。其中以TOP227Y 的输出功率为最大。 2.1 TOPSwitch-11

(1)TOPSWitch-II 内部包括振荡器、误差放大器、脉宽调制器、门电路、高压功率开关管（MOSFET）、偏置电路、过流保护电路、过热保护及上电复位电路、关断／自动重启动电路。它通过高频变压器使输出端与电网完全隔离，使用安全可靠。它属于漏极开路输出的电流控制型开关电源。由于采用CMOS 电路，使器件功耗显著降低。

(2)只有三个引出端：控制端C 、源极S 、漏极D，可同三端线性稳压器相媲美，能以最简方式构成无工频变压器的反激式开关电源。为完成多种控制、偏置及保护功能，C 、D 均属多功能引出端，实现了一脚多用。以控制端为例，它具有三项功能：①该端电压VC 为片内并联调整器和门驱动级提供偏压；②该端电流IC 能调节占空比；③该端还作为电源支路与自动重启动／补偿电容的连接点，通过外接旁路电容来决定自动重启动的频率，并对控制回路进行补偿。

(3)输入交流电压的范围极宽。作固定电压输入时可选220V ±15%交流电，若配85~265V 宽范围变化的交流电，最大输出功率要降低40%。开关电源的输入频率范围是47~440Hz 。

(4)开关频率典型值为100KHz，占空比调节范围是1.7%～67%。电源效率为80%左右，最高可达90%，比线性集成稳压电源提高近一倍。其工作温度范围是0～70 ℃芯片最高结温Tjm=135 ℃。 (5)TOPSwitch-II 的基本工作原理是利用反馈电流IC 来调节占空比D，达到稳压目的。举例说明，当由于某种原因致使开关电源的输出电压VOT 时，经过光耦反馈电路就使Ic↑→误差电压Vrt→D↓→Vo↓，使Vo 保持不变。反之亦然。 (6)外围电路简单，成本低廉。外部仅需接整流滤波器、高频变压器、初级保护电路、反馈电路和输出电路。采用此类芯片还能降低开关电源产生的电磁干扰。 2.2

TOPSwitch-II 可广泛用于仪器仪表、笔记本电脑、移动电话、电视机、VCD 和DVD 、摄录像机、电池充电器、功率放大器等领域，并能构成各种小型化、高密度、低成本的开关电源模块。此外，它还适合构成后备式开关电源，非隔离式开关电源、恒流恒压输出开关电源，供无线通信用的DC/DC 电源变换器、恒功率调节器、功率因数补偿器等。 2.3

(1)TOPSwitch-II 的反馈电路中需配光电耦合器与输出电路隔离。设计精密开关电源时，还应增加一片TL431 型可调式精密关联稳压器，由它构成外部误差放大器，来代替取样电路中的稳压管。精密开关电源的电压调整率Sv 、电流调整率Sl 均可达±0.2%左右，接近于线性集成稳压电源的指标。

(2)应选用电流传输比（CTR）能线性变化的光电耦合器，如PC817A，NEC2501 、6N137 等型号，不推荐采用4N25 、4N35 等4N ××型普通光耦。后者的线性度差，传输模拟信号时会造成失真，影响开关电源的稳压性能。

(3)高频变压器的初级必须设置保护电路，用以吸收漏感引起的尖峰电压，确保MOSFET 不被损坏。这种保护电路应并联在初级上，具体有4 种设计方案：①由瞬变电压抑制二极管（TVS）和超快恢复二极管（SRD）组成钳位电路；②由TVS 与硅整流管（VD）构成的钳位电路；③由阻容元件与SRD 构成的吸收电路；④由阻容件与VD 构成的吸收电路。上述方案中以①的效果最佳，能充分发挥TVS 响应速度极快、可承受高能量瞬态脉冲之优点。方案②次之。

(4)使用芯片时需加合适的散热器。对于TO-220 封装，可直接装在小散板上。对于DIP-8 和SMD-8 封装的可将4 个源极焊在面积为2.3 的印制板敷铜箔上代替散热片。

(5)为抑制从电网引入的干扰，也防止开关电源产生的干扰向外部传输，需在电源进线端增加一级电磁干扰滤波器（EMI filter）亦称电源噪声滤波器（PNF）。 (6)使用此类芯片时，源极引线要尽量短。为使空载或轻载时输出电压稳定，应在稳压电源输出端接一只几百欧的电阻作为最小负载，亦可并联一只稳压管。 TinySwitch TinySwitch 是Power 公司新推出的一种高效、小功率四端单片开关电源。因所构成开关电源的体积很小，故称TinySwitch 微型开关系列。它比三端单片开关电源增加一个使能端，使用更加方便灵活。TinySwitch 系列性优价廉，外围电路非常简单，特别适合制作10W 以下的微型开关电源或待机电源，是取代效率低、体积较大的小功率线性稳压电源的理想产品。

3.1TinySwitch (1)TinySwitch 有DIP-8 、SMD-8 两种封装形式、6 种型号。产品分类见表2 。尽管采用8 脚封装，实际上只有四个脚：S 、D 、BP（相当于控制端）、EN（使能端），因此等效于四端器件。利用使能端可从外部关断MOSFET，并且在快速上电时输出电压无过冲现象、掉电时MOSFET 也无频率倍增现象。

(2)高效、小功率输出。选220V 交流电源时，其空载功耗低于60mW 。它适宜制作0～10Ｗ 的小功率、低成本开关电源，比线性稳压电源大约可节电38%。 (3)采用开／关控制器来代替PWM 对输出电压进行调节。开／关控制器可等效为脉冲频率调制器（PFM），其调节速度比普通的PWM 更快，对纹波抑制能力更强。 (4)与TOPSwitch-II 相比，它在电路设计上颇具特色。第一，交流输入端可省掉EMI 滤波器；第二，初级保护电路不需使用TVS，仅用RC 电路即可吸收尖峰电压；第三，不用反馈线圈及相关电路，也不加回路补偿元件；第四，芯片内部增加了使能检测与逻辑电路。 3.2TinySwitch

该系列产品适合制作手机电池恒压恒流充电器、IC 卡付费电度表中的小型开关电源模块，以及微机、彩电、摄录像机等高档家用电器中的待机电源。例如，目前生产的大屏幕彩电均具有待机功能，使用遥控器关闭电源之后，即进入待机状态。此时彩电中开关电源的功率开关管呈关断状态，改由待机电路继续给CPU 供电，使整机功耗降至最低。由TNY253P 可构成5V 、1.3W 的彩电待机电源。它利用彩电主电源产生的直流高压作输入电压，的允许范围是120～375V（视彩电型号而定），而Vo=+5V 。使用一片TNY255P 则可构成PC 机的5V 、2A 待机电源。由TNY254P 构成的+6.7V 、3.6W 手机电池恒压、恒流充电器，能在85～265V 交流输入电压范围内，对6V 镍氢（NIMH）电池充电。此外，TinySwitch 还适合制作小型家电（如随身听）的适配器（adapter），将220V 交流电源变成所需直流稳压电源。这种适配器不仅没有笨重的变压器，而且效率高、体积小、稳压性能好，能完全取代目前市售的各种插头式AC/DC 变换器。 4 MC33370

MC33370 系列包括MC33369～MC33374 五种规格、17 种型号。以TO-220 五脚直弯式封装为例，其产品分类见表3。表中的RDS（ON）表示漏－源极导通电阻，ID（PK）代表漏极峰值电流。 4.1 MC33370

(1)它比TOPSwitch-II 增加了电源端（Vcc）和状态控制器的输入端（State Control input）；芯片内部增加了欠压锁定比较器、外部关断电路和可编程状态控制器。其性价比要优于TOPSwitch-II，而外围电路更趋简单。

(2)利用可编程状态控制器及外部模式选择电路，能实现多种控制方式（包括手动控制、由微控制器MCU 操作、数字电路控制、禁止操作等），实现工作状态与备用状态的互相切换。

(3)内部集成了一只被称为“敏感场效应管（Sense FET）”的电流传感式功率开关管，用它能无功率损耗地实时检测漏极电流ID 的大小，进行过流保护。 (4)当交流电源为固定值或变化率不超过±20%时，允许去掉高频变压器的反馈线圈以及相关的高频滤波电路。这有助于进一步简化外围电路，降低开关电源的成本。为满足特殊应用的需要，还可给开关电源增加软启动功能。 (5)电源效率高。由它构成开关电源或电源模块的效率可达80%以上。在备用状态下静态功耗低至几十至几百毫瓦。