Topswitch器件及特性

Topswitch是美國Power Integrations公司從1994年起推出的開關電源新器件，它把脈寬調制（PWM）控制器與需壓700V的功率開關管MOS-FET合二為一集成到一塊芯片上，大多采用TO220三腳封裝，通過漏極D、源極S和控制極C與外電路相連，如圖1。

其產品型號除PWR-TOP100-104、PWR-TOP200-204、PWR-TOP209-210外，最近又推出了PWR-TOP221-270等新產品。Topswitch的IC的問世，不僅解決了過去由于開關電源中的脈寬調制控制芯片和功率開關管相互獨立所造成的外圍元件及輔助電路多，致便開關電源電路復雜的問題，且仍然具有過流保護和超高溫關斷等功能。它使SMPS開關電源對市電的適應范圍加寬（可適應82～265V市電），有力地促進了SMPS的高效化、模塊化、小型化和輕量化，為設計新一代SMPS奠定了基礎。

在SMPS電路中，一般情況下，Topswitch開關器件的漏極D和變壓器初級的一端相接。由于漏感引起的反峰電壓反射到變壓器的初級，將直接加在漏極上，而反峰電壓與輸出電壓有關，即輸出電壓越高，反峰電壓也越高，這對于漏極與源極之間耐壓只有700V的Switch器件來說，超過700V將很容易使其擊穿，因此Topswitch系列器件制做的開關電源，大多采用低壓小功率輸出，如何運用器件制做高壓直流電源還是個新課題，下面針對這一問題進行了研討。

高壓直流電路的研制

依據Topswtich電路的特性，我們認為可采用二次升壓的辦法獲得輸出為數千伏的直流高壓。

1、電路組成及工作原理

整個電路分為低壓和高壓兩部分，如圖2所示。

低壓電路部分是工作頻率為100KHz，具有最簡單初級反饋偏置電路（去掉低電壓輸出的整流濾波部分）的開關電源，220V的市電經輸出濾波、橋式整流和濾波，將300V的直流電壓經變壓器T1的初級繞組加到Topswitch的漏極，此時，Topswitch的內部振蕩網絡給其場效應管柵極提供一個高電平，使場效應管導通，漏極電流從零開始增大，在T1的次級繞組和反饋繞組中，就會感應出一個上負下正的感應電壓（據同名端）。導通一定時間后，當Topswitch內部振蕩網絡加到場效應管柵極的電平由高變低時，使場效應管由導通變截止、在截止期間變壓器T1初級繞組中的電壓變為上負下正，次級繞組和反饋繞組上的電壓為上正下負。此后Topswitch內部振蕩網絡加到場效應管柵極的電平由低變高，場效應管又開始導通，就這樣周而復始，其工作波形見圖3。這時在選擇合適的電路元器件及其參數的情況下，可在變壓器T1的次級3、4端獲得30V（頻率為100kHz）的電壓輸出。反饋繞組上的偏置電壓由VD3、R1和C2整流濾波，加至Topswitch的控制極，該電路僅作為電路啟動用，C2和R2一些完成控制制回路的補償。VD1、CD2用以吸收由漏感引起的尖峰脈沖電壓。

高壓電路部分僅含高壓升壓變壓器T2和若干高壓整流二級管及濾波電容C3。若變壓器的T1次級輸出的30V100kHz的交流電壓經T2升壓、整流濾波，就可得到數千伏的高壓直流電。

2、輸出電壓的確定和變壓器的設計

變壓器T1的設計：實驗電路選用TOP204在220/240V交流電壓下，占空比為50%，而Pmin=52W,Pnom=74W,Pmax=135W，器件工作時要求變壓器的初級電感是770～1480μH。為使變壓器的設計滿足高頻工作條件，其鐵芯應選用高頻鐵氧體E128磁芯。經計算如初級繞組NP為45匝，則反饋繞組磁NB為5匝，次級繞組Ns可由PI公司推薦的μ01=[5.7+(Ic×15)]Ns/NB-VD3,該公式可簡化為μ01=5.7V×NS/NB-VD3，現將輸出電壓按μ0130V計，則可算出次級繞組匝數NS=27匝。

變壓器T2設計除了要滿足高頻工作電磁能量傳遞的必要條件（最好選用有效面積和磁路長度與E128相當的口字形高頻鐵芯）外，還必需滿足高壓絕緣條件。其骨架的選擇和繞制方法均可仿效電視機的高壓包，繞好后還要經過浸染和烘干，裝上鐵芯后，最好用環氧脂封固，接入電路前要用搖表測其絕緣強度。若T2的初級匝數定為20匝，次級匝數定為300匝，接入低壓電路后則可獲得4500V的高壓直流輸出。

3、本高壓直流電源研制注意事項及特點

用Topswitch，采用二次升壓的辦法研制變壓直流電源，其變壓器設計是關鍵，也是技術難點。要選好材料精心繞制，才能達到技術要求。其次是要搞好電路元器件的布局，為防止高壓電路部分對低壓電路的影響，對高壓電路應采取適當的防護措施（如屏蔽）。再次是對已安裝好的高、低壓電路分別調制，然后再相接，聯結時要注意同名端。

該電路具有設計簡單，調試方便等優點，所需元器件不多，只要注意上述問題，選好元器件參數，就可得到所需的高壓直流輸出。