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完成输出电压稳压的控制，而且还必须能对电源或负载提供保护。它通常由检测比较放大电路、电压一脉冲宽度转换电路(V/W电路)、时钟振荡电路、基极驱动电路、过压过流保护电路，以及自用电压源等基本电路构成。
对于PWM方式而言，将频率固定的震荡源称为时钟振荡器，这种电源利用检测电路反映输出电压值，通过和给定参考电压比较产生误差信号，再经V/W电路调制脉冲宽度以调节输出电压。例如，由于某种原因(负载电流减小或电网电压上升)使高频变压器副边输出电压的平均值增大，电源输出电压也将随之提高，反馈检测电路将提高了的输出电压和基准电压进行比较，并产生负极性的误差电压，V/W电路根据该误差电压及时减小输出脉宽，这样使输出电压平均值减小，接近原来的数值，从而实现稳压的作用。
3．高频开关电源的发展趋势
现代电力电子技术是开关电源技术发展的基础。随着新型电力电子器件和适于更高开关频率的电路拓扑的不断出现,现代电源技术将在实际需要的推动下快速发展。其中开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等是高频开关电源的发展趋势,这些技术的成熟,将实现高效率用电和高品质用电相结合。 2.2 单片开关电源的工作原理
单片开关电源的原理框图2.3所示。交流220V市电经电源噪声滤波器LF后再
图2.3单片开关电源的原理框图
通过桥式整流器直接整流。电源滤波器的作用一方面是滤除由电网传来的杂波电压，净化输入电源，另一方面也阻止高频开关电源的振荡电压窜入电网，干扰其它电器。市电经整流和电容滤波后，变成308V的直流电压供给TOPSwitch－II器件，TOPSwitch－II构成DC/DC变换电路，它将输入的直流高压变成脉宽可调的高频脉冲电压，经高频变压器降压后再进行半波整流和滤波，变成所需要的直流电压输出。
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第三章 基于TOP222Y单片开关电源的设计
3.1 TOP222Y的工作原理［2］ 1. TOPSwitch-II芯片介绍
TOP222Y是专业从事电源半导体芯片设计和生产的美国Power Integration公司的三端隔离式脉宽调制单片开关电源集成电路TOPSwitch-II系列芯片。
TOPSwitch-II系列芯片有三种封装形式，TO-220型、DIP-8型和SMD-8型等。其中最常见的为三引脚的TO-220封装,如图3.1所示。
图3.1 TOPSwitch的管脚排列
（a）TO－220封装（b）DIP－8封装和SMD－8封装
(1)控制极C：占空比控制误差放大器输入端和反馈电流输入脚。启动时由内部高压电流源提供内部偏置电流；在正常工作时，流入反馈控制电流。同时用作电源旁路电容器和自动启动/补偿电容器的接入点。
(2)源极S：在TO-220封装中，既是MOSFET管的源极接点，也是开关电源初级 回路的公共点和参考点。
(3)漏极D：MOSFET管漏极接入点。在启动时，提供内部偏置电流。 2. TOPSwitch-II的特点
(1)TOPSwitch-II系列芯片将脉宽调制（PWM）控制系统的全部功能集成到三端芯片中。内含脉宽调制器、功率开关场效应管（MOSFET）、自动偏置电路、保护电路、高压启动电路和环路补偿电路，通过高频变压器使输出端与电网完全隔离，真正实现了无工频变压器、隔离式开关电源的单片集成化，使用安全可靠。
(2)输入交流电压和频率的范围极宽。作固定电压输入时可选110V／115V／230V交流电，允许变化±15％；在宽电压范围输入时，适配85V～265V交流电，但POM值要比前者降低40％。
(3)TOPSwitch－Ⅱ只有3个引出端，可以同三端线性集成稳压器相媲美，能以最简方式构成无工频变压器的反激式普通型或精密型开关电源。开关频率的典型值为100kHz，允许范围是90kHz～110kHz，占空比调节范围是1.7％～67％。
(4)外围电路简单，成本低廉。芯片本身功耗很低，电源效率可达80％左右。 3.TOPSwitch的工作原理
TOPSwitch-II系列芯片内部结构框图如图3.2所示。主要由以下几部分组成：N沟道高压MOSFET管、栅极驱动器、电压模式的PWM控制器、误差放大器、100kHz振荡器、输入欠压保护、输出过流、过热保护电路及尖峰抑制电路等。
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图3.2 TOPSwitch-II系列芯片内部结构框图
(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D--C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，以保证精确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），与此同时还产生最大占空比信号(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IF，在RFB上形成误差电压UFB。
(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。第一、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UFB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。
(6)门驱动级和输出级:门驱动级（F）用于驱动功率开关管(MOSFET)，使之芯片结温有关。MOSFET
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，，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。
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(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。
(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给内部电路提供偏置，并且对Ct进行充电。电源正常工作时电子开关改接内部电源，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IF，经由PWM控制MOSFET的输出占空比，最后达到动态平衡。 3.2 基于TOP222Y芯片单端反激式开关电源的设计［5］
图3.3是用TOP222Y芯片设计的单端反激式开关电源的原理图。由于TOPSwitch芯片集成度高，设计工作主要为输人滤波、钳位保护、输出整流滤波及反馈等外围电
［4］路的设计［3］。
该电源电路拓扑为单端反激式，220V市电经电源噪声滤波器LF后再通过桥式整流器直接整流。电源滤波器的作用一方面是滤除由电网传来的杂波电压，净化输入电源，另一方面也阻止高频开关电源的振荡电压窜入电网，干扰其它电器。现在很多电源设计不重视电源滤波器的选择，一些中小功率的高频开关电源往往不加电源滤波
图3.3 采用TOP222Y芯片设计的单端反激式开关电源原理图
器，这样不仅降低了电源本身的抗干扰能力，影响其工作稳定性，而且也造成对公共电网的污染。市电经整流和电容滤波后，变成308V的直流电压供给TOPSwitch－II器件，TOPSwitch－II构成DC/DC变换器，它将输入的直流高压变成脉宽可调的高频脉冲电压，经高频变压器降压后再进行半波整流和滤波，变成所需要的直流电压输出。电路的工作频率为100kHz，振荡元件已固化在器件内部，高频变压器的次级有3个绕组，其中的5V/2A绕组N3控制TOPSwitch－II器件的脉宽，即这一组输出电压为PWM稳压，由并联可编程稳压器TL431和光电耦合器PC817A及分压电阻R203、R205完成取样反馈工作。之所以选择这一绕组进行脉宽控制，是因为它的输出电压低电流大，更能体现出开关电源的优越性。为了实现对光耦的隔离供电，变压器单设了一个辅助绕组N2。
反馈回路由外部误差放大器TL431加精密光耦PC817A构成。电路利用流过光耦PC817A呈线性关系变化电流来控制TOPSwitch的IC，从而改变PWM宽度，达到稳定输出电压的目的。流人TOPSwitch控制脚C的电流IC与占空比D成反比关系，如图3.4所示
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