开关电源自20世纪70年xx始应用以来，涌现出许多功能完备的集成控制电路，使开关电源电路日益简化，工作频率不断提高，效率大大提高，并为电源小型化提供了广阔的前景。三端离线式脉宽调制单片开关集成电路TOP(Threeterminaloffline)将PWM控制器与功率开关MOSFET合二为一封装在一起，已成为开关电源IC发展的主流。采用TOP开关集成电路设计开关电源，可使电路大为简化，体积进一步缩小，成本也明显降低。

2.TOP开关结构及工作原理

2.1结构

TOP开关集各种控制功能、保护功能及耐压700V的功率开关MOSFET于一体，采用TO220或8脚DIP封装。少数采用8脚封装的TOP开关，除D、C两引脚外，其余6脚实际连在一起，作为S端，故仍系三端器件。三个引出端分别是漏极端D、源极端S和控制端C。其中，D是内装MOSFET的漏极，也是内部电流的检测点，起动操作时，漏极端由一个内部电流源提供内部偏置电流。控制端C控制输出占空比，是误差放大器和反馈电流的输入端。在正常操作时，内部的旁路调整端提供内部偏置电流，且能在输入异常时，自动锁定保护。源极端S是MOSFET的源极，同时是TOP开关及开关电源初级电路的公共接地点及基准点。

2.2工作原理

TOP包括10部分，其中Zc为控制端的动态阻抗，RE是误差电压检测电阻。RA与CA构成截止频率为7kHz的低通滤波器。主要特点是：

（1）前沿消隐设计，延迟了次级整流二级管反向恢复产生的尖峰电流冲击；

（2）自动重起动功能，以典型值为5％的自动重起动占空比接通和关断；

（3）低电磁干扰性（EMI），TOP系列器件采用了与外壳的源极相连，使金属底座及散热器的dv/dt=0，从而降低了电压型控制方式与逐周期峰值电流限制;

（4）电压型控制方式与逐周期峰值电流限制。

下面简要叙述一下：

（1）控制电压源

控制电压Uc能向并联调整器和门驱动极提供偏置电压，而控制端电流Ic则能调节占空比。控制端的总电容用Ct表示，由它决定自动重起动的定时，同时控制环路的补偿，Uc有两种工作模式，一种是滞后调节，用于起动和过载两种情况，具有延迟控制作用；另一种是并联调节，用于分离误差信号与控制电路的高压电流源。刚起动电路时由DC极之间的高压电流源提供控制端电流Ic，以便给控制电路供电并对Ct充电。

（2）带隙基准电压源

带隙基准电压源除向内部提供各种基准电压之外，还产生一个具有温度补偿并可调整的电流源，以保证xx设定振荡器频率和门极驱动电流。

（3）振荡器

内部振荡电容是在设定的上、下阈值UH、UL之间周期性地线性充放电，以产生脉宽调制器所需要的锯齿波（SAW），与此同时还产生{zd0}占空比信号(DMAx)和时钟信号(CLOCK)。为减小电磁干扰，提高电源效率，振荡频率（即开关频率）设计为100kHz，脉冲波形的占空比设定为D。

（4）放大器

误差放大器的增益由控制端的动态阻抗Zc来设定。Zc的变化范围是10Ω～20Ω，典型值为15Ω。误差放大器将反馈电压UF与5.7V基准电压进行比较后，输出误差电流Ir，在RE上形成误差电压UR。

（5）脉宽调制器（PWM）

脉宽调制器是一个电压反馈式控制电路，它具有两层含义。{dy}、改变控制端电流Ic的大小，即可调节占空比D，实现脉宽调制。第二、误差电压UR经由RA、CA组成截止频率为7kHz的低通滤波器，滤掉开关噪声电压之后，加至PWM比较器的同相输入端，再与锯齿波电压UJ进行比较，产生脉宽调制信号UB。

（6）门驱动级和输出级

门驱动级（F）用于驱动功率开关管(MOSFET)，使之按一定速率导通，从而将共模电磁干扰减至最小。漏源击穿电压U(bo)ds≥700V。

（7）过流保护电路

过流比较器的反相输入端接阈值电压ULIMIT，同相输入端接MOSFET管的漏极。此外，芯片还具有初始输入电流限制功能。刚通电时可将整流后的直流限制在0.6A或0.75A。

（8）过热保护电路

当芯片结温TJ>135℃时，过热保护电路就输出高电平，将触发器Ⅱ置位，Q=1，Q=0，关断输出级。此时进入滞后调节模式，Uc端波形也变成幅度为4.7V～5.7V的锯齿波。若要重新起动电路，需断电后再接通电源开关；或者将控制端电压降至3.3V以下，达到Uc(reset)值，再利用上电复位电路将触发器Ⅱ置零，使MOSFET恢复正常工作。

（9）关断/自起动电路

一旦调节失控，关断/自动重起动电路立即使芯片在5％占空比下工作，同时切断从外部流入C端的电流，Uc再次进入滞后调节模式。倘若故障己排除，Uc又回到并联调节模式，自动重新起动电源恢复正常工作。自动重起动的频率为1.2Hz。

图1TOP开关内部工作原理框图

图212V/30W小功率开关电源原理图

10）高压电流源

在起动或滞后调节模式下，高压电流源经过电子开关S1给内部电路提供偏置，并且对Ct进行充电。电源正常工作时S1改接内部电源，将高压电流源关断。

当TOP开关起动操作时，在控制端环路振荡电路的控制下，漏极端有电流流入芯片，提供开环输入。该输入通过旁路调整器、误差放大器时，由控制端进行闭环调整，改变Ir，经由PWM控制MOSFET的输出占空比，{zh1}达到动态平衡。

3TOP开关的典型应用

3.112V/30W小功率开关电源

12V/30W小功率开关电源原理图如图2所示。该电源特性是：简单，直接可与220V交流电源连接，经桥式整流电容滤波后产生300V直流高电压起动开关电源工作。并且重量轻、体积小，接线简单外围元件少。

该电路特点是利用三极管Q1，二极管D8及电阻R5、R6组成过低压保护电路，当输入电压降低到一定程度时，Q1导通，控制端C电位降低，TOP开关关闭，开关电源没有输出。

（1）输入电路

电网交流220V输入电压经桥式整流、电容滤波后产生300V直流高压起动开关电源工作。

（2）电源变换器部分

在该电路中，T2为高频变压器，其中

N1为初级绕组（35T）

N2为反馈绕组（15T）

N3为次级隔离输出绕组（7T）

开关电源工作后，反馈绕组N2经整流、滤波、限流后送至TOP开关控制极C，以调整TOP开关内部PWM占空比。当因某种原因如负载变轻引起输出电压升高时，N2电压将升高，即流入TOP开关控制端C的电流增加。在振荡电路的控制下，漏极端D有电流流入芯片，提供开环输入，该输入通过旁路调整器、误差放大器，由控制端进行闭环调整，经由PWM控制MOSFET的输出占空比，使其占空比线性减小，从而使输出电压下降，{zh1}达到动态平衡，保持输出稳定。电路中并接于初级绕组N1两端的瞬态电压抑制二极管D5、电容C4及快速二极管D6组成钳位削峰电路。钳制电感放电脉冲的{zg}电位，减少漏感抗引起的漏极端电压畸变。在实际绕制高频电源变压器时，为了减小漏感的影响，可采用初级与次级相互交叉的绕制方法。同时，采用自我屏蔽作用较为良好的罐形磁芯，将线圈都用磁芯封在里边。

（3）反馈控制回路

电容C6决定软起动恢复时间，C6、R5、R4、C5、D7决定控制回路的零点。R4阻值过小，限流线性差，容易导致TOP开关损坏；过大则调整线性差。在实验中取值为10kΩ

（4）输出回路

N3、D10、C8、D11构成输出回路。肖特基势垒整流二极管D10对高频变压器次级的高频方波电压进行整流，经低ESR值的电解电容滤波及双向瞬态电压抑制二极管D11削峰稳压后，提供给负载电路。R7既可改善电源本身的输出阻抗，又能小幅度地调整输出电压的范围，同时又可在电源空载时为电容C8提供放电回路。R7取值为430Ω。

图312 5V/25W精密开关电源原理图

3.212.5V/25W精密开关电源

12.5V/25W精密开关电源原理图如图3所示。由TOP204构成隔离式＋12.5V、2A（25W）开关电源电路，该电源的特性为：当交流输入电压U从85V变化到265V时，电压调整率为±0.2％；当负载电流从10％(0.2A)变化到100％(2A)时，负载调整率也达±0.2％，可与线性集成稳压电源相媲美。该电路的主要特点是利用一片TL431(IC3)与光电耦合器(IC2)构成外部误差放大器。它再与片内误差放大器配合使用，对控制电流进行精细调整，从而大大提高了稳压性能。

4.结语

由于TOP芯片内部xx集成了SMPS的全部功能，所以利用它设计出的开关电源周期短，成本低，对于小功率电源，简单，体积小，重量轻。随着TOP开关系列的不断发展与改进，其在开关电源及其它应用领域中必将有着更加灿烂的前景。

摘要：根据开关电源的发展及分类，对DC/DC、AC/AC变化器的拓扑结构和特性做以阐述，结合国内外开关电源的两大类变换器新技术的动向做以探讨，并叙述了开关电源的选择。

关键词：开关电源 技术动向 应用选型

Classification and Application of SMPS

Abstract: ACCording to the development and classification of SMPS the topologic construction and

characteristic of DC/DC and AC/DC converters is explained, the developmental

tendency and application of above-mentioned converters is also discussed.

Keywords: SMPS, Technical tendency, Applied selection

1 引言

随着电力电子技术的飞速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年xx关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。

开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。

2 、开关电源的分类

人们的开关电源技术领域是边开发相关电力电子器件，边开发开关变频技术，两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类，DC/DC变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已得到用户的认可，但AC/DC的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。以下分别对两类开关电源的结构和特性作以阐述。

2.1 DC/DC变换

DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式Ts不变，改变ton（通用），二是频率调制方式，ton不变，改变Ts（易产生干扰）。其具体的电路由以下几类：

（1） Buck电路——降压斩波器，其输出平均电压Uo小于输入电压Ui，极性相同。

（2） Boost电路——升压斩波器，其输出平均电压Uo大于输入电压Ui，极性相同。

（3） Buck-Boost电路——降压或升压斩波器，其输出平均电压Uo大于或小于输入电压Ui，极性相反，电感传输。

（4） Cuk电路——降压或升压斩波器，其输出平均电压Uo 大于或小于输入电压UI,极性相反，电容传输。

当今软开关技术使得DC/DC发生了质的飞跃，美国VICOR公司设计制造的多种ECI软开关DC/DC变换器，其{zd0}输出功率有300W、600W、800W等，相应的功率密度为（6、2、10、17）W/cm3，效率为（80-90）%。日本NemicLambda公司{zx1}推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列，其开关频率为（200~300）kHz，功率密度已达到27 W/cm3，采用同步整流器（MOS-FET代替肖特基二极管），是整个电路效率提高到90%。

2.2 AC/DC变换

AC/DC变换是将交流变换为直流，其功率流向可以是双向的，功率流由电源流向负载的称为“整流”，功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”。AC/DC变换器输入为50/60Hz的交流电，因必须经整流、滤波，因此体积相对较大的滤波电容器是必不可少的，同时因遇到安全标准（如UL、CCEE等）及EMC指令的限制（如IEC、FCC、CSA），交流输入侧必须加EMC滤波及使用符合安全标准的元件，这样就限制AC/DC电源体积的小型化，另外，由于内部的高频、高压、大电流开关动作，使得解决EMC电磁兼容问题难度加大，也就对内部高密度安装电路设计提出了很高的要求，由于同样的原因，高电压、大电流开关使得电源工作消耗增大，限制了AC/DC变换器模块化的进程，因此必须采用电源系统优化设计方法才能使其工作效率达到一定的满意程度。

AC/DC变换按电路的接线方式可分为，半波电路、全波电路。按电源相数可分为，单项、三相、多相。按电路工作象限又可分为一象限、二象限、三象限、四象限。

3 开关电源的选用

开关电源在输入抗干扰性能上，由于其自身电路结构的特点（多级串联），一般的输入干扰如浪涌电压很难通过，在输出电压稳定度这一技术指标上与线性电源相比具有较大的优势，其输出电压稳定度可达（0.5~1）%。开关电源模块作为一种电力电子集成器件，在选用中应注意以下几点：

3.1 输出电流的选择

因开关电源工作效率高，一般可达到80%以上，故在其输出电流的选择上，应准确测量或计算用电设备的{zd0}吸收电流，以使被选用的开关电源具有高的性能价格比，通常输出计算公式为：

Is=KIf

式中：Is—开关电源的额定输出电流；

If—用电设备的{zd0}吸收电流；

K—裕量系数，一般取1.5~1.8；

3.2 接地

开关电源比线性电源会产生更多的干扰，对共模干扰敏感的用电设备，应采取接地和屏蔽措施，按ICE1000．EN61000．FCC等EMC限制，形状开关电源均采取EMC电磁兼容措施，因此开关电源一般应带有EMC电磁兼容滤波器。如利德华福技术的HA系列开关电源，将其FG端子接大地或接用户机壳，方能满足上述电磁兼容的要求。

3.3 保护电路

开关电源在设计中必须具有过流、过热、短路等保护功能，故在设计时应{sx}保护功能齐备的开关电源模块，并且其保护电路的技术参数应与用电设备的工作特性相匹配，以避免损坏用电设备或开关电源。

4 开关电源技术的发展动向

开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化，因此国外各大开关电源制造商都致力于同步开发新型高智能化的元器件，特别是改善二次整流器件的损耗，并在功率铁氧体（Mn-Zn）材料上加大科技创新，以提高在高频率和较大磁通密度（Bs）下获得高的磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术。SMT技术的应用使得开关电源取得了长足的进展，在电路板两面布置元器件，以确保开关电源的轻、小、薄。开关电源的高频化就必然对传统的PWM开关技术进行创新，实现ZVS、ZCS的软开关技术已成为开关电源的主流技术，并大幅提高了开关电源工作效率。对于高可靠性指标，美国的开关电源生产商通过降低运行电流，降低结温等措施以减少器件的应力，使得产品的的可靠性大大提高。

模块化是开关电源发展的总体趋势，可以采用模块化电源组成分布式电源系统，可以设计成N＋1冗余电源系统，并实现并联方式的容量扩展。针对开关电源运行噪声大这一缺点，若单独追求高频化其噪声也必将随着增大，而采用部分谐振转换电路技术，在理论上即可实现高频化又可降低噪声，但部分谐振转换技术的实际应用仍存在着技术问题，故仍需在这一领域开展大量的工作，以使得该项技术得以实用化。

电力电子技术的不断创新，使开关电源产业有着广阔的发展前景。要加快我国开关电源产业的发展速度，就必须走技术创新之路，走出有中国特色的产学研联合发展之路，为我国国民经济的高速发展做出贡献。

摘要：介绍TOPSwitch-FX系列产品在通用高效开关电源、机顶盒开关电源、PC待机电源中的典型应用。

TOPSwitch-FX系列单片机电源集成电路，可广泛应用于各种通用及专用开关电源、待机电源、开关电源模块中。

一、能进行外部限流的12V、30W开关电源

由TOP234Y构成12V、30W高效开关电源的电路如图1所示。其交流输入电压范围是AC85～265V，满载时电源效率可达80%。交流电压u依次经过电磁干扰（EMI）滤波器（C10，L1）、输入整流滤波器（BR，C1）获得直流高压UI。UI经过R1和R2分压后接M端，能使极限电流随UI升高而降低。R1可提供电压前馈信号，当UI偏高时能自动降低{zd0}占空比，以减小输出纹波。R2为电流极限设定电阻，所设定的Ilimit≈0.7Ilimit=0.7×1.5A=1.05A，略高于低压输入时的峰值电流Ip值。这里将系数取0.7是考虑到TOP234Y在宽范围输入时，{zd0}连续输出功率Pom=45W,而实际输出功率P'om=30M，即P'om/Pom=30/45=0.67≈0.7。采用这种设计方法允许高频变压器选用尺寸较小的磁芯，通过增加初级电感量Lp来降低TOP234Y的功耗，并防止出现磁饱和现象。此外，由于采用了降低DMAx的电压前馈技术即使输入电压UI和初级感应电压UOR较高，开关电源也能正常工作。它允许使用成本的R，C，VD型漏极钳位电路（R3，C7，VD1），以替代价格较高的TVS（瞬态电压抑制器）、VD型钳位电路，用于吸收在TOP234Y关断时由高频变压器漏感产生的尖峰电压，对漏极起到保护作用。

次级电压经过VD2，C2，C3，L2和C4整流滤波后，获得+12V、2.5A的稳压输出。为减小整流管的损耗，VD2采用MBR1060型10A/60V肖特基二极管。C9和R7并联在VD2两端，能防止VD2在高频开关状态下产生自激振荡（振铃）。当开关电源空载时，TOPSwitch-FX能采用跳过周期的方式进一步降低{zd0}输出占空比，使得DMAx<1.5%，因此，在输出端无须接假负载，这样还可降低空载或待机状态下的功耗。

该电源采用带稳压管的光耦反馈电路。IC2为LTV817A型线性光耦合器。VDZ采用1N5240C型稳压管，其稳定电压Uz=10（1±0.02）V。光耦中LED的正向压降UF≈1V.输出电压由下式确定：

Uo=Uz+UF+UR4

现将其稳压原理分析如下：当由于某种原因致使Uo↑，Uo>U2+UF+UR4时，所产生的误差电压Ur'=Uo-（Uz+UF+UR4）就令LED的IF↑，经过光耦后，接收管的IE↑，使得控制端电流Ic↑，而占空比D↓，导致Uo↓，为而实现了稳压目的。反之，Uo↓→IF↓→IE↓→Ic↓→D↑→Uo↑，同样起到稳压作用。

1N5240C的稳定电流典型值为20mA，取R4=150Ω时只能供给6.7mA的电流，进一步增加电阻值会受到LED工作电流IF（通常为3.5～7mA）的限制。为此，另由电阻R6提供13.3mA的工作电流，使VDz的稳定电流Iz=3.7mA+13.3mA=20mA，其稳压特性也得到了改善。反馈绕组电压经过VD3和C6整流滤波后，产生12V的反馈电压，经过IC2给TOP234Y的控制端提供偏压。C5是旁路电容，它还与R5构成控制环路的补偿电路。

二、多路输出的35W机顶盒开关电路

具有5路输出的35W机顶盒开关电源电路如图2所示。这5路电压分别为：Uo1(+30V,100mA)，Uo2(+18V,550mA)，Uo3(+5V，2.5A)，Uo4（+3.3V，3A），Uo5(-5V,100mA)。其中，+5V和+3.3V作为主输出，其余各路均为辅输出。当交流输入电压u=220(1±0.15)V时，总输出功率达38.5W；若采用宽范围电压输入（u=85～265V AC）,总输出功率就降成25W，可用作机顶盒（Set-top Box）、录像机（VCR）、摄录像机（CVCR）和DVD中的开关电源。该电源采用3片IC：TOP233Y（IC1），光耦合器LTV817A（IC2）；可调式精密并联稳压器TL431C（IC3）。为减小高频变压器体积和增强磁场耦合程度，次级绕组采用了堆叠式绕法。由R4和C14构成的吸收回路可降低射频噪声对电视机等视频设备的干扰。必要时还可将开关频率选择端（F）改接控制端（C），选择半频方式，以进一步降低电视机对视频噪声的敏感程度。

R6，R7和R8为比例反馈电阻，使5V和3.3V电源按照一定的比例进行反馈，这两路输出的负载调整率均可达±5%。R9和C16构成TL431C的频率补偿网络。C17为软启动电容，取C17=22μF时可增加4ms的软启动时间，再加上本身已有10ms的软启动时间，总共为14ms。其余各路输出未加反馈，输出电压均由高频变压器的匝数比来确定。因-5V电源的输出功率很低，现通过电阻R2和稳压管VDz2进行电压调节。R9是+30V输出的假负载，它能降低该路的空载及轻载电压。鉴于5V，3.3V和18V电源的输出功率较大，三者都增加了后级LC滤波器（L3和C9，L4和C11，L2和C7），以减小输出纹波电压。

TOP233Y具有频率抖动特性，这对降低电磁干扰很有帮助。另外，再合理地选择安全电容C15和EMI滤波器（C6，L1）的元件值，就能使开关电源产生的电磁辐射达到CISPR22（FCCB）国际标准。将C15的一端接U1的正极，能把TOP233Y的共模干扰减至最小。须要指出，C15和C6都称作安全电容，区别只是C15接在高压与地之间，能滤除初、次级耦合电容产生的共模干扰，在IEC950国际标准中称之为“Y电容"。C6则接在交流电源进线端，专门滤波电网线之间的串模干扰，被称作“X电容”。

为承受可能从电网线窜入的雷击电压，在交流输入端还并联只标称电压U1mA=275V的压敏电阻器VSR。U1mA表示当压敏电阻器上通过1mA的直流电流时，元件两端的电压值。

三、5V和3.3V输出的17W PC待机电源

能提供5V，2A和3.3V，2A两路主输出的PC机待机电源电路如图3所示。该电源还以{zd1}成本增加了15V，30mA的辅输出。电路中使用一片TOP232Y型单片机开关电源，总输出功率为17.05W。直流输入电压的范围是200～375V。亦可选220/110V AC固定输入电压，只须接入整流滤波器，而无须加输入倍压器对110V AC进行倍压整流。该设计充分发挥了TOP232Y的软启动、欠压保护、严格的限流特性和开关频率高等优良特性，使得高频变压器可选EE19型磁芯。此外，由于TOP232Y增加了高压漏极端与低压端的间距，减小了引脚之间的漏电，因此电源能在较恶劣的环境下使用。C1为直流高压的高频退耦电容，当U1与待机电源距离很近时可省去C1。线路检测电路R1用于设定欠压值UUV。取R1=3.9MΩ时，UUV=IUV·R1=50μA×3.9MΩ=UI>195V DC时，才重新接通电源。

反馈绕组电压经过VD4和C6整流滤波后产生15V的反馈电压，一方面作为+15V输出（未与初级隔离），另一方面还经过光敏三极管给TOP232Y的控制端提供偏压。R4，R6和R7均为取样电阻，用来检测3.3V和5V输出电压的变化量。R2是LED的限TL431C提供偏流。C8为软启动电容，能xx刚接通电源时产生的电压过冲现象。空载时利用TOP232Y跳过周期的特性，可以满足PC机待机电源低功耗的指标。