單片開關電源的發展及其應用
單片開關電源集成電路具有高集成度、高性價比、最簡外圍電路、最佳性能指標、能構成高效率無工頻變壓器的隔離式開關電源等優點。它于90年代中、后期相繼問世后，便顯示出強大的生命力，目前它成為國際上開發中、小功率開關電源、精密開關電源及電源模塊的優選集成電路。由它構成的開關電源，在成本上與同等功率的線性穩壓電源相當，而電源效率顯著提高，體積和重量則大為減小。這就為新型開關電源的推廣與普及，創造了良好條件。
1 集成開關電源的發展簡況
開關電源被譽為高效節能電源，它代表著穩壓電源的發展方向，現已成為穩壓電源的主流產品。近20多年來，集成開關電源沿著下述兩個方向不斷發展。第一個方向是對開關電源的核心單元——控制電路實現集成化。1997年國外首先研制成脈寬調制（PWM）控制器集成電路，美國摩托羅拉公司、硅通用公司（Silicon General）、尤尼特德公司（Unitrode）等相繼推出一批PWM芯片，典型產品有MC3520、SG3524、UC3842。90年代以來，國外又研制出開關頻率達1MHz的高速PWM、PFM（脈沖頻率調制）芯片，典型產品如UC1825、UC1864。第二個方向則是對中，小功率開關電源實現單片集成化。這大致分兩個階段：80年代初意－法半導體有限公司（SGS－Thomson）率先推出L4960系列單片開關式穩壓器。該公司于90年代又推出了L4970A系列。其特點是將脈寬調制器、功率輸出級、保護電路等集成在一個芯片中，使用時需配工頻變壓器與電網隔離，適于制作低壓輸出（5.1~40V）、大中功率（400W以下）、大電流（1.5A~10A）、高效率（可超過90%）的開關電源。但從本質上講，它仍屬DC/DC電源變換器。
1994年，美國動力（Power）公司在世界上首先研制成功三端隔離式脈寬調制型單片開關電源，被人們譽為“頂級開關電源”。其第一代產品為TOPSwitch系列，第二代產品則是1997年問世的TOPSwitch-II系列。該公司于1998年又推出了高效、小功率、低價格的四端單片開關電源TinySwitch系列。在這之后，Motorola公司于1999年又推出MC33370系列五端單片開關電源，亦稱高壓功率開關調節器（HighVoltage Power Switching Regulator）。目前，單片開關電源已形成四大系列、近70種型號的產品。
2 TOPSwitch-11系列三端單片開關電源
根據封裝形式，TOPSwitch－II可劃分成三種類型：TOP221Y~227Y（TO-220封裝），TOP221P~224P（DIP-8封裝），TOP221G~224G（SMD-8封裝），產品分類詳見表1。其中以TOP227Y的輸出功率為最大。
2.1 TOPSwitch-11的性能特點
(1) TOPSWitch-II內部包括振蕩器、誤差放大器、脈寬調制器、門電路、高壓功率開關管（MOSFET）、偏置電路、過流保護電路、過熱保護及上電復位電路、關斷／自動重啟動電路。它通過高頻變壓器使輸出端與電網完全隔離，使用安全可靠。它屬于漏極開路輸出的電流控制型開關電源。由于采用CMOS電路，使器件功耗顯著降低。
(2) 只有三個引出端：控制端C、源極S、漏極D，可同三端線性穩壓器相媲美，能以最簡方式構成無工頻變壓器的反激式開關電源。為完成多種控制、偏置及保護功能，C、D均屬多功能引出端，實現了一腳多用。以控制端為例，它具有三項功能：①該端電壓VC為片內并聯調整器和門驅動級提供偏壓；②該端電流IC能調節占空比；③該端還作為電源支路與自動重啟動／補償電容的連接點，通過外接旁路電容來決定自動重啟動的頻率，并對控制回路進行補償。
(3) 輸入交流電壓的范圍極寬。作固定電壓輸入時可選220V±15%交流電，若配85~265V寬范圍變化的交流電，最大輸出功率要降低40%。開關電源的輸入頻率范圍是47~440Hz。
(4) 開關頻率典型值為100KHz，占空比調節范圍是1.7%~67%。電源效率為80%左右，最高可達90%，比線性集成穩壓電源提高近一倍。其工作溫度范圍是0~70℃芯片最高結溫Tjm=135℃。
(5) TOPSwitch-II的基本工作原理是利用反饋電流IC來調節占空比D，達到穩壓目的。舉例說明，當由于某種原因致使開關電源的輸出電壓VOT時，經過光耦反饋電路就使Ic↑→誤差電壓Vrt→D↓→Vo↓，使Vo保持不變。反之亦然。
(6) 外圍電路簡單，成本低廉。外部僅需接整流濾波器、高頻變壓器、初級保護電路、反饋電路和輸出電路。采用此類芯片還能降低開關電源產生的電磁干擾。
2.2 典型應用
TOPSwitch-II可廣泛用于儀器儀表、筆記本電腦、移動電話、電視機、VCD和DVD、攝錄像機、電池充電器、功率放大器等領域，并能構成各種小型化、高密度、低成本的開關電源模塊。此外，它還適合構成后備式開關電源，非隔離式開關電源、恒流恒壓輸出開關電源，供無線通信用的DC/DC電源變換器、恒功率調節器、功率因數補償器等。
2.3 電路設計要求
(1) TOPSwitch-II的反饋電路中需配光電耦合器與輸出電路隔離。設計精密開關電源時，還應增加一片TL431型可調式精密關聯穩壓器，由它構成外部誤差放大器，來代替取樣電路中的穩壓管。精密開關電源的電壓調整率Sv、電流調整率Sl均可達±0.2%左右，接近于線性集成穩壓電源的指標。
(2) 應選用電流傳輸比（CTR）能線性變化的光電耦合器，如PC817A，NEC2501、6N137等型號，不推薦采用4N25、4N35等4N××型普通光耦。后者的線性度差，傳輸模擬信號時會造成失真，影響開關電源的穩壓性能。
(3) 高頻變壓器的初級必須設置保護電路，用以吸收漏感引起的尖峰電壓，確保MOSFET不被損壞。這種保護電路應并聯在初級上，具體有4種設計方案：①由瞬變電壓抑制二極管（TVS）和超快恢復二極管（SRD）組成鉗位電路；②由TVS與硅整流管（VD）構成的鉗位電路；③由阻容元件與SRD構成的吸收電路；④由阻容件與VD構成的吸收電路。上述方案中以①的效果最佳，能充分發揮TVS響應速度極快、可承受高能量瞬態脈沖之優點。方案②次之。
(4) 使用芯片時需加合適的散熱器。對于TO-220封裝，可直接裝在小散板上。對于DIP-8和SMD-8封裝的可將4個源極焊在面積為2.3的印制板敷銅箔上代替散熱片。
(5) 為抑制從電網引入的干擾，也防止開關電源產生的干擾向外部傳輸，需在電源進線端增加一級電磁干擾濾波器（EMI filter）亦稱電源噪聲濾波器（PNF）。
(6) 使用此類芯片時，源極引線要盡量短。為使空載或輕載時輸出電壓穩定，應在穩壓電源輸出端接一只幾百歐的電阻作為最小負載，亦可并聯一只穩壓管。
3 TinySwitch系列四端開關電源
TinySwitch是Power公司新推出的一種高效、小功率四端單片開關電源。因所構成開關電源的體積很小，故稱TinySwitch微型開關 系列。它比三端單片開關電源增加一個使能端，使用更加方便靈活。TinySwitch系列性優價廉，外圍電路非常簡單，特別適合制作10W以下的微型開關電源或待機電源，是取代效率低、體積較大的小功率線性穩壓電源的理想產品。
3.1TinySwitch的性能特點
(1) TinySwitch有DIP-8、SMD-8兩種封裝形式、6種型號。產品分類見表2。盡管采用8腳封裝，實際上只有四個腳：S、D、BP（相當于控制端）、EN（使能端），因此等效于四端器件。利用使能端可從外部關斷MOSFET，并且在快速上電時輸出電壓無過沖現象、掉電時MOSFET也無頻率倍增現象。
(2) 高效、小功率輸出。選220V交流電源時，其空載功耗低于60mW。它適宜制作0~10W的小功率、低成本開關電源，比線性穩壓電源大約可節電38%。
(3) 采用開／關控制器來代替PWM對輸出電壓進行調節。開／關控制器可等效為脈沖頻率調制器（PFM），其調節速度比普通的PWM更快，對紋波抑制能力更強。
(4) 與TOPSwitch-II相比，它在電路設計上頗具特色。第一，交流輸入端可省掉EMI濾波器；第二，初級保護電路不需使用TVS，僅用RC電路即可吸收尖峰電壓；第三，不用反饋線圈及相關電路，也不加回路補償元件；第四，芯片內部增加了使能檢測與邏輯電路。
3.2TinySwitch的應用
該系列產品適合制作手機電池恒壓恒流充電器、IC卡付費電度表中的小型開關電源模塊，以及微機、彩電、攝錄像機等高檔家用電器中的待機電源。例如，目前生產的大屏幕彩電均具有待機功能，使用遙控器關閉電源之后，即進入待機狀態。此時彩電中開關電源的功率開關管呈關斷狀態，改由待機電路繼續給CPU供電，使整機功耗降至最低。由TNY253P可構成5V、1.3W的彩電待機電源。它利用彩電主電源產生的直流高壓作輸入電壓，的允許范圍是120~375V（視彩電型號而定），而Vo=+5V。使用一片TNY255P則可構成PC機的5V、2A待機電源。由TNY254P構成的+6.7V、3.6W手機電池恒壓、恒流充電器，能在85~265V交流輸入電壓范圍內，對6V鎳氫（NIMH）電池充電。此外，TinySwitch還適合制作小型家電（如隨身聽）的適配器（adapter），將220V交流電源變成所需直流穩壓電源。這種適配器不僅沒有笨重的變壓器，而且效率高、體積小、穩壓性能好，能完全取代目前市售的各種插頭式AC/DC變換器。
4 MC33370系列五端單片開關電源
MC33370系列包括MC33369~MC33374五種規格、17種型號。以TO-220五腳直彎式封裝為例，其產品分類見表3。表中的RDS（ON）表示漏－源極導通電阻，ID（PK）代表漏極峰值電流。
1 MC33370的性能特點
(1) 它比TOPSwitch-II增加了電源端（Vcc）和狀態控制器的輸入端（State Control input）；芯片內部增加了欠壓鎖定比較器、外部關斷電路和可編程狀態控制器。其性價比要優于TOPSwitch-II，而外圍電路更趨簡單。
(2) 利用可編程狀態控制器及外部模式選擇電路，能實現多種控制方式（包括手動控制、由微控制器MCU操作、數字電路控制、禁止操作等），實現工作狀態與備用狀態的互相切換。
(3) 內部集成了一只被稱為“敏感場效應管（Sense FET）”的電流傳感式功率開關管，用它能無功率損耗地實時檢測漏極電流ID的大小，進行過流保護。
(4) 當交流電源為固定值或變化率不超過±20%時，允許去掉高頻變壓器的反饋線圈以及相關的高頻濾波電路。這有助于進一步簡化外圍電路，降低開關電源的成本。為滿足特殊應用的需要，還可給開關電源增加軟啟動功能。
(5) 電源效率高。由它構成開關電源或電源模塊的效率可達80%以上。在備用狀態下靜態功耗低至幾十至幾百毫瓦。
(6) 占空比調節范圍更寬，可達0.1~74%。脈寬調制增益的典型值為-14%／mA。芯片的工作結溫是-40~150℃，過熱保護溫度定為157℃（TOPSwitch-II僅為135℃）。
4.2 MC33370的應用
MC33370系列可廣泛用于辦公自動化設備、儀器儀表、無線通信設備及消費類電子產品中，構成高壓隔離式AC/DC電源變換器。在作特殊應用時，還可去掉高頻變壓器的反饋繞組及快恢復二極管、濾波電容，改用穩壓管或雙極型晶體管、MOS管來進行串聯調整。此外，利用這種芯片還能制作高壓步進電源。
1 集成開關電源的發展簡況
開關電源被譽為高效節能電源，它代表著穩壓電源的發展方向，現已成為穩壓電源的主流產品。近20多年來，集成開關電源沿著下述兩個方向不斷發展。第一個方向是對開關電源的核心單元——控制電路實現集成化。1997年國外首先研制成脈寬調制（PWM）控制器集成電路，美國摩托羅拉公司、硅通用公司（Silicon General）、尤尼特德公司（Unitrode）等相繼推出一批PWM芯片，典型產品有MC3520、SG3524、UC3842。90年代以來，國外又研制出開關頻率達1MHz的高速PWM、PFM（脈沖頻率調制）芯片，典型產品如UC1825、UC1864。第二個方向則是對中，小功率開關電源實現單片集成化。這大致分兩個階段：80年代初意－法半導體有限公司（SGS－Thomson）率先推出L4960系列單片開關式穩壓器。該公司于90年代又推出了L4970A系列。其特點是將脈寬調制器、功率輸出級、保護電路等集成在一個芯片中，使用時需配工頻變壓器與電網隔離，適于制作低壓輸出（5.1~40V）、大中功率（400W以下）、大電流（1.5A~10A）、高效率（可超過90%）的開關電源。但從本質上講，它仍屬DC/DC電源變換器。
1994年，美國動力（Power）公司在世界上首先研制成功三端隔離式脈寬調制型單片開關電源，被人們譽為“頂級開關電源”。其第一代產品為TOPSwitch系列，第二代產品則是1997年問世的TOPSwitch-II系列。該公司于1998年又推出了高效、小功率、低價格的四端單片開關電源TinySwitch系列。在這之后，Motorola公司于1999年又推出MC33370系列五端單片開關電源，亦稱高壓功率開關調節器（HighVoltage Power Switching Regulator）。目前，單片開關電源已形成四大系列、近70種型號的產品。
2 TOPSwitch-11系列三端單片開關電源
根據封裝形式，TOPSwitch－II可劃分成三種類型：TOP221Y~227Y（TO-220封裝），TOP221P~224P（DIP-8封裝），TOP221G~224G（SMD-8封裝），產品分類詳見表1。其中以TOP227Y的輸出功率為最大。
2.1 TOPSwitch-11的性能特點
(1) TOPSWitch-II內部包括振蕩器、誤差放大器、脈寬調制器、門電路、高壓功率開關管（MOSFET）、偏置電路、過流保護電路、過熱保護及上電復位電路、關斷／自動重啟動電路。它通過高頻變壓器使輸出端與電網完全隔離，使用安全可靠。它屬于漏極開路輸出的電流控制型開關電源。由于采用CMOS電路，使器件功耗顯著降低。
(2) 只有三個引出端：控制端C、源極S、漏極D，可同三端線性穩壓器相媲美，能以最簡方式構成無工頻變壓器的反激式開關電源。為完成多種控制、偏置及保護功能，C、D均屬多功能引出端，實現了一腳多用。以控制端為例，它具有三項功能：①該端電壓VC為片內并聯調整器和門驅動級提供偏壓；②該端電流IC能調節占空比；③該端還作為電源支路與自動重啟動／補償電容的連接點，通過外接旁路電容來決定自動重啟動的頻率，并對控制回路進行補償。
(3) 輸入交流電壓的范圍極寬。作固定電壓輸入時可選220V±15%交流電，若配85~265V寬范圍變化的交流電，最大輸出功率要降低40%。開關電源的輸入頻率范圍是47~440Hz。
(4) 開關頻率典型值為100KHz，占空比調節范圍是1.7%~67%。電源效率為80%左右，最高可達90%，比線性集成穩壓電源提高近一倍。其工作溫度范圍是0~70℃芯片最高結溫Tjm=135℃。
(5) TOPSwitch-II的基本工作原理是利用反饋電流IC來調節占空比D，達到穩壓目的。舉例說明，當由于某種原因致使開關電源的輸出電壓VOT時，經過光耦反饋電路就使Ic↑→誤差電壓Vrt→D↓→Vo↓，使Vo保持不變。反之亦然。
(6) 外圍電路簡單，成本低廉。外部僅需接整流濾波器、高頻變壓器、初級保護電路、反饋電路和輸出電路。采用此類芯片還能降低開關電源產生的電磁干擾。
2.2 典型應用
TOPSwitch-II可廣泛用于儀器儀表、筆記本電腦、移動電話、電視機、VCD和DVD、攝錄像機、電池充電器、功率放大器等領域，并能構成各種小型化、高密度、低成本的開關電源模塊。此外，它還適合構成后備式開關電源，非隔離式開關電源、恒流恒壓輸出開關電源，供無線通信用的DC/DC電源變換器、恒功率調節器、功率因數補償器等。
2.3 電路設計要求
(1) TOPSwitch-II的反饋電路中需配光電耦合器與輸出電路隔離。設計精密開關電源時，還應增加一片TL431型可調式精密關聯穩壓器，由它構成外部誤差放大器，來代替取樣電路中的穩壓管。精密開關電源的電壓調整率Sv、電流調整率Sl均可達±0.2%左右，接近于線性集成穩壓電源的指標。
(2) 應選用電流傳輸比（CTR）能線性變化的光電耦合器，如PC817A，NEC2501、6N137等型號，不推薦采用4N25、4N35等4N××型普通光耦。后者的線性度差，傳輸模擬信號時會造成失真，影響開關電源的穩壓性能。
(3) 高頻變壓器的初級必須設置保護電路，用以吸收漏感引起的尖峰電壓，確保MOSFET不被損壞。這種保護電路應并聯在初級上，具體有4種設計方案：①由瞬變電壓抑制二極管（TVS）和超快恢復二極管（SRD）組成鉗位電路；②由TVS與硅整流管（VD）構成的鉗位電路；③由阻容元件與SRD構成的吸收電路；④由阻容件與VD構成的吸收電路。上述方案中以①的效果最佳，能充分發揮TVS響應速度極快、可承受高能量瞬態脈沖之優點。方案②次之。
(4) 使用芯片時需加合適的散熱器。對于TO-220封裝，可直接裝在小散板上。對于DIP-8和SMD-8封裝的可將4個源極焊在面積為2.3的印制板敷銅箔上代替散熱片。
(5) 為抑制從電網引入的干擾，也防止開關電源產生的干擾向外部傳輸，需在電源進線端增加一級電磁干擾濾波器（EMI filter）亦稱電源噪聲濾波器（PNF）。
(6) 使用此類芯片時，源極引線要盡量短。為使空載或輕載時輸出電壓穩定，應在穩壓電源輸出端接一只幾百歐的電阻作為最小負載，亦可并聯一只穩壓管。
3 TinySwitch系列四端開關電源
TinySwitch是Power公司新推出的一種高效、小功率四端單片開關電源。因所構成開關電源的體積很小，故稱TinySwitch微型開關 系列。它比三端單片開關電源增加一個使能端，使用更加方便靈活。TinySwitch系列性優價廉，外圍電路非常簡單，特別適合制作10W以下的微型開關電源或待機電源，是取代效率低、體積較大的小功率線性穩壓電源的理想產品。
3.1TinySwitch的性能特點
(1) TinySwitch有DIP-8、SMD-8兩種封裝形式、6種型號。產品分類見表2。盡管采用8腳封裝，實際上只有四個腳：S、D、BP（相當于控制端）、EN（使能端），因此等效于四端器件。利用使能端可從外部關斷MOSFET，并且在快速上電時輸出電壓無過沖現象、掉電時MOSFET也無頻率倍增現象。
(2) 高效、小功率輸出。選220V交流電源時，其空載功耗低于60mW。它適宜制作0~10W的小功率、低成本開關電源，比線性穩壓電源大約可節電38%。
(3) 采用開／關控制器來代替PWM對輸出電壓進行調節。開／關控制器可等效為脈沖頻率調制器（PFM），其調節速度比普通的PWM更快，對紋波抑制能力更強。
(4) 與TOPSwitch-II相比，它在電路設計上頗具特色。第一，交流輸入端可省掉EMI濾波器；第二，初級保護電路不需使用TVS，僅用RC電路即可吸收尖峰電壓；第三，不用反饋線圈及相關電路，也不加回路補償元件；第四，芯片內部增加了使能檢測與邏輯電路。
3.2TinySwitch的應用
該系列產品適合制作手機電池恒壓恒流充電器、IC卡付費電度表中的小型開關電源模塊，以及微機、彩電、攝錄像機等高檔家用電器中的待機電源。例如，目前生產的大屏幕彩電均具有待機功能，使用遙控器關閉電源之后，即進入待機狀態。此時彩電中開關電源的功率開關管呈關斷狀態，改由待機電路繼續給CPU供電，使整機功耗降至最低。由TNY253P可構成5V、1.3W的彩電待機電源。它利用彩電主電源產生的直流高壓作輸入電壓，的允許范圍是120~375V（視彩電型號而定），而Vo=+5V。使用一片TNY255P則可構成PC機的5V、2A待機電源。由TNY254P構成的+6.7V、3.6W手機電池恒壓、恒流充電器，能在85~265V交流輸入電壓范圍內，對6V鎳氫（NIMH）電池充電。此外，TinySwitch還適合制作小型家電（如隨身聽）的適配器（adapter），將220V交流電源變成所需直流穩壓電源。這種適配器不僅沒有笨重的變壓器，而且效率高、體積小、穩壓性能好，能完全取代目前市售的各種插頭式AC/DC變換器。
4 MC33370系列五端單片開關電源
MC33370系列包括MC33369~MC33374五種規格、17種型號。以TO-220五腳直彎式封裝為例，其產品分類見表3。表中的RDS（ON）表示漏－源極導通電阻，ID（PK）代表漏極峰值電流。
1 MC33370的性能特點
(1) 它比TOPSwitch-II增加了電源端（Vcc）和狀態控制器的輸入端（State Control input）；芯片內部增加了欠壓鎖定比較器、外部關斷電路和可編程狀態控制器。其性價比要優于TOPSwitch-II，而外圍電路更趨簡單。
(2) 利用可編程狀態控制器及外部模式選擇電路，能實現多種控制方式（包括手動控制、由微控制器MCU操作、數字電路控制、禁止操作等），實現工作狀態與備用狀態的互相切換。
(3) 內部集成了一只被稱為“敏感場效應管（Sense FET）”的電流傳感式功率開關管，用它能無功率損耗地實時檢測漏極電流ID的大小，進行過流保護。
(4) 當交流電源為固定值或變化率不超過±20%時，允許去掉高頻變壓器的反饋線圈以及相關的高頻濾波電路。這有助于進一步簡化外圍電路，降低開關電源的成本。為滿足特殊應用的需要，還可給開關電源增加軟啟動功能。
(5) 電源效率高。由它構成開關電源或電源模塊的效率可達80%以上。在備用狀態下靜態功耗低至幾十至幾百毫瓦。
(6) 占空比調節范圍更寬，可達0.1~74%。脈寬調制增益的典型值為-14%／mA。芯片的工作結溫是-40~150℃，過熱保護溫度定為157℃（TOPSwitch-II僅為135℃）。
4.2 MC33370的應用
MC33370系列可廣泛用于辦公自動化設備、儀器儀表、無線通信設備及消費類電子產品中，構成高壓隔離式AC/DC電源變換器。在作特殊應用時，還可去掉高頻變壓器的反饋繞組及快恢復二極管、濾波電容，改用穩壓管或雙極型晶體管、MOS管來進行串聯調整。此外，利用這種芯片還能制作高壓步進電源。
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