TOP227Y内部结构详解

2023-06-25 理论教育版权反馈

【摘要】：TOP227Y属于TOPSwitch-D系列产品，它的内部电路框图如图6-2所示。TOP227Y的基本工作原理是利用反馈电流IFB来调节占空比D，达到稳压的目的。需要指出，对于TOP227Y系列而言，定义漏极脉宽调制信号中的开通电平时间t与周期T的百分比为占空比D，即。脉宽调制器脉宽调制器是开关电源中最基础、最重要的技术之一，TOP227Y采用电流控制反馈式控制方式。TOP221Y～TOP227Y的结构设计可以不用外部大功率过电流检测电阻，这样既省掉了外围元器件，又降低了电源功耗。

TOP227Y属于TOPSwitch-D系列产品，它的内部电路框图如图6-2所示。

该电路主要包括以下几部分：控制电压源、带隙基准电压源、高压电流源、振荡器、并联调整器/误差放大器、脉宽调制（PWM）比较器、过电流保护电路、过热保护及上电复位电路、关断/自动启动电路、门驱动级和输出级。图中Z_C为控制端的动态阻抗，R_FB是误差电压检测电阻，R_A与C_A构成截止频率为7kHz的低通滤波器。TOP227Y的基本工作原理是利用反馈电流I_FB来调节占空比D，达到稳压的目的。下面分别介绍各单元电路的工作原理。

图6-2 TOP227Y的内部电路框图

（1）控制电压源

从图6-2可知，控制电压V_C向并联调整器和门驱动级提供偏置电压，而它的控制电流I_C则对占空比起调节作用。在CS极间接一只47μF的补偿电容C₆可为门驱动级供给直流电，并且由它决定自动启动频率和启动时间，同时控制环路进行电流补偿。V_C有两种工作模式：一种是滞后控制，用于电路启动和输出过载两种情况，它的控制形式是延时控制；另一种是并联调节，都是用于分离误差信号与控制的高压电流源。自动启动电路中的比较器具有滞后特性，通过控制高压电流源的通断使V_C在4.7～5.7V范围内。电路刚启动时，由高压电流源提供控制电流I_C对C_T（在芯片外部，图6-2中未画出）充电。当控制电压V_C达到5.7V时，高压电流源被关闭，脉宽调制器和功率MOS管开始工作，控制电流I_C改为向反馈电路提供电流。动态电阻Z_C与外部阻容元件共同决定电路控制环路的运行状况和补偿特性。

（2）带隙基准电压源

带隙基准电压源除向内部各回路提供基准电压之外，还产生一个具有温度补偿作用并可调整的电流源，用来精确设定振荡频率和门驱动级的电流。

（3）高压电流源

电路在启动或滞后调节模式下，高压电流源经过电子开关S给内部电路提供偏置电压，并且对C_T进行充电。电源正常工作时，S改接内部电源，将高压电流源关断。

（4）振荡器

单片内部振荡电容在所设定的上、下阈值电压V_H、V_L之间保证周期性的线性充、放电时间，便产生了受到控制的脉宽调制所需要的锯齿波；与此同时，还产生最大占空比信号（D_max）和时钟信号（CLOCK）。为防止电磁干扰，提高电源效率，振荡频率（即开关频率）设计为100kHz，通过调节基准电流可控制开关高频率的准确度。需要指出，对于TOP227Y系列而言，定义漏极脉宽调制信号中的开通电平时间t与周期T的百分比为占空比D，即。其最小典型值D_min=1.7%，最大典型值D_max=67%，在这个范围内，占空比D是成线性调制的。

（5）并联调整器/误差放大器

并联调整器的作用是，当加到控制端的反馈电流超过设定电流值时，就通过并联调整器进行分流，确保控制电压不超过5.7V。误差放大器的增益由控制端的动态电阻Z_C来设定。Z_C的变化范围是10～20Ω，典型值为15Ω。误差放大器的同相输入端接5.7V基准电压，作为参考电压；输出端接一只P沟道场效应晶体管，起缓冲放大作用。控制电压V_C经过Z_C、P沟道场效应晶体管和电阻R_FB分压后，获得反馈电压V_FB并加至误差放大器的反相输入端。误差放大器对反馈电压V_FB与5.7V基准电压进行比较之后，输出误差电流I_r。I_r流过电阻R_FB时，就在其上形成了误差电压V_r，V_r去调节脉冲占空比。控制电流I_C可以直接从反馈电路上获取电压并接到光耦合反馈电路上，由光耦合器输出，取得控制电流并实现光隔离的技术要求，还能提高电路的控制灵敏度。

（6）脉宽调制器

脉宽调制器是开关电源中最基础、最重要的技术之一，TOP227Y采用电流控制反馈式控制方式。它具有以下两层含义：

第一，通过改变控制电流I_C的大小，能连续调节脉冲占空比，实现脉宽调制（PWM）。D与I_C呈线性关系，特性曲线如图6-3所示。从图中可以清楚地看出：控制电流I_C在2.0～6.0mA范围内，与D呈反比线性关系，当I_C增大时D减小，反之当I_C减小时D增大。比例系数就是曲线的斜率，也是脉宽调制器的增益，K=-16%/mA，因此占空比由下式确定：

D=KI_C=-（16%/mA）I_C式中的负号表示反比。

最大占空比信号（D_max）直接加到主控门YF的第一个输入端。

图6-3 占空比与控制电流的关系

第二，误差放大器输出电压V_r经R_A、C_A组成的截止频率为7kHz的低通滤波器处理后，去掉开关噪声电压并加到PWM比较器的同相输入端，再与锯齿波电压V_j进行比较，产生脉宽调制信号V_PWM。V_PWM通过与门Y₁、或门H之后，可将八D触发器Ⅰ置零，使Q=0，把MOSFET关断；而时钟信号再把八D触发器Ⅰ置位，使Q=1，又使MOSFET导通，从而实现了脉宽调制信号和时钟信号的相互作用，促使PWM功能转换输出。在这里，时钟信号在转换过程中起到同步的作用。

由此可知，控制端电压V_C用来提供偏压，控制端电流I_C则用于调节占空比，以此来调节输出脉冲宽度。TOP227Y是电流控制型PWM开关电源，采用固定开关频率（100kHz）而占空比可调的工作方式。这种工作方式调制灵活，占空比调节范围大，使得输入交流电压在宽带变化的条件之下，而输出电压依然恒定。

（7）过电流保护电路

该电路利用MOSFET的漏—源导通电阻R_DS（ON）来代替外部过电流检测电阻R_S。当输出电流I_o越值（即MOSFET的导通电压大于阈值电压）时，片内比较器就发生翻转，输出信号变成高电压。此电压经过与门Y₁、或门H将八D触发器Ⅰ置零，使MOSFET关断，起到过电流保护作用。TOP221Y～TOP227Y的结构设计可以不用外部大功率过电流检测电阻，这样既省掉了外围元器件，又降低了电源功耗。另外，还对反相输入端极限电压采取了温度补偿措施，以消除因R_DS（ON）随温度变化而引起I_D的波动。TOPSwitch-Ⅱ的极限电流典型值、最小值和最大值见表6-1。

表6-1 TOPSwitch-Ⅱ的极限电流典型值、最小值和最大值

每一种开关电源设计，都要限制最大输出功率P_om（P_om=I_omV_o），为的是保证电源长期使用安全。

举例来说，对于TOP224Y/P，I_LIMIT=1.50A，在85～265V宽交流电压范围内，P_om=20W。此时选出15V/1.33A或者10V/2A，最大输出功率均为20W，而后者I_om>I_LIMIT。2A的输出电流是不能接受的。

此外，芯片还具有初始输入电流限制功能。刚通电时，应将整流后的直流电流限制在0.6I_LIMIT。利用前沿闭锁电路的作用，在MOSFET刚导通时，将电流比较输出的上升沿封锁180ns，使输入脉冲得到延缓。这样可以避免一次电感和二次整流管在反向恢复时间未结束时产生峰值电流而导致开关脉冲提前结束，出现非矩形失真。

（8）过热保护电路

TOPSwitch-Ⅱ正常时在110℃以下的温度下工作，如果芯片结温T_j>135℃时，过热保护电路就输出高电平，将八D触发器Ⅱ置位，Q=1，，主控门关断输出级。此时，V_C进入滞后调节模式，控制电压V_C也变成幅度为4.7～5.7V的锯齿波。若要重新启动电路，需断电后再接通电源上电复位，或者将V_C降至3.3V以下达到V_C（RESET）值，再利用上电复位电路将八D触发器Ⅱ置零，Q=0，，使MOSFET恢复工作。

（9）关断/自动启动电路

芯片的关断/自动启动电路一般处于“休眠”状态，一旦调节失控，关断/自动启动电路立即进入导通状态，芯片在5%占空比下运行，同时切断从外部流入控制端的电流I_C，V_C再次进入滞后调节模式。V_C控制电压也变为具有一定幅值的锯齿波。假如故障已排除，V_C又回到并联调整模式，自动重新启动，电源恢复正常工作。

（10）门驱动级和输出级

门驱动级是该芯片的最后一道工作程序，对决定芯片的放大能力和耐压能力具有重要意义。门驱动级所使用的材料一般是N沟道场效应晶体管。在主控门的控制之下，门驱动级按规定的开关工作频率（100kHz）不失真地传递脉冲驱动信号。驱动管的漏—源极间导通电阻是决定该芯片的结温和工作效率的重要参数。当V_DS=560V，环境温度T_A=125℃时，驱动MOS管的漏—源极间的导通电阻R_DS（ON）为25.7Ω，关断电流I_DSS为250μA，MOSFET的漏—源击穿电压V（BR）DS≥700V，因此TOP227Y系列的使用电压不能超过700V，否则将对电源产生危险。

TOP227Y内部结构详解

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