TOPSwitch-FX系列是美国Power公司于2000年最新研制的具有高性价比的5端单片开关电源集成电路。设计先进,功能完善,外围电路简单,使用非常灵活,“FX”即有灵活“flexible”之意。TOPSwitch-FX配置外围电路后,能实现多达14种控制功能,其中包括适配微控制器（MCU）或通过局域网（LAN）来遥控开关电源通/断的功能。因此,TOPSwitch-FX是目前设计75W以下高效率、多功能、单路或多路输出反激式开关电源的最佳选择。此外,该系列产品还可构成PC机的待机电源（Standby Supply）、机顶盒电源（Set-TOP Box Power Supply）、电源适配器和由微处理器控制的开关电源。

一、 性能特点及产品分类

1. 性能特点

(1) 该系列产品除具备TOPSwitch-Ⅱ系列的全部优点之外,还增加了软启动、外部设定极限电流、过压关断、欠压保护、过热滞后关断、遥控和同步等功能。适配微控制器或局域网、远程启动或关断开关电源。

(2) 改变开关频率选择端和多功能端的外部接线,可实现14种控制功能：全频工作方式、半频工作方式、过压和欠压保护、仅过压保护、仅欠压保护、从外部设定极限电流及控制开关电源通/断等。

(3) 采用高压CMOS电路的专利技术,实现了高压MOSFET与低压控制电路的单片集成化。

(4) 增加了外部可编程设定极限电流Ilimit的功能,只须改变多功能端外接电阻的阻值,即可重新设定Ilimit值,设定范围是（40%～100%）Ilimit。

(5) 为降低传导噪声干扰,专门增加了频率抖动功能。开关能以250Hz的频率抖动,抖动偏移量Δf=4kHz。将开关频率限制在很窄的波段内抖动,能降低130kHz固定频率的高次谐波干扰。

(6) 当开关电源的负载减轻时,它采取跳过周期的方式来降低占空比,使输出电压保持稳定,即使空载时也不用接假负载。

2. 产品分类

TOPSwitch-FX系列可划分成3种类型,9种型号,其最大输出功率见表1。后缀P、G分别表示DIP-8、SMD-8封装;Y代表TO-220-7B封装。

表1 TOPSwitch-FX系列产品分类及最大输出功率POM

二、 TOPSwitch-FX的引脚功能

TOPSwitch-FX的引脚排列如图1所示。其中,TO-220-7B封装有5个引出端,它们分别为控制端C、多功能端M、源极S、开关频率选择端F和漏极D。DIP-8和SMD-8封装没有 F端,等效于4端器件。多功能端主要有6种功能：① 线路过压（OV）保护;② 线路欠压（UV）保护;③ 利用线路电压前馈来降低占空比Dmax ;④ 从外部设定芯片的极限电流I′limit ;⑤ 遥控（亦称远程通/断）;⑥ 外同步。将开关频率选择端接源极时,开关频率f=130kHz;接控制端时,开关频率变成f/ 2=65kHz。若将M、F端均接S极,则与三端模式下的TOPSwitch-Ⅱ相似。

图1 TOPSwitch-FX的引脚排列

三、 TOPSwitch-FX的工作原理

图2 TOPSwitch-FX的内部结构

TOPSwitch-FX的内部框图如图2所示,主要由15部分组成：⑴ 控制电压源（由控制电压UC向并联调整器和门驱动级提供偏压,而控制端电流IC则能调节占空比）;⑵ 带隙基准电压源（给内部提供各种基准电压）;⑶ 频率抖动振荡器（产生锯齿波SAW、时钟信号CLK和最大占空比信号Dmax）;⑷ 并联调整器/误差放大器;⑸ 脉宽调制器（含PWM比较器和触发器,通过改变控制端电流IC的大小,连续调节脉冲占空比）;⑹ 过流保护电路;⑺ 门驱动级和输出级（内含耐压为700V的功率开关管MOSFET）;⑻ 具有滞后特性的过热保护电路（当芯片结温Tj＞135℃时关断输出级;当Tj＜70℃时芯片才恢复正常工作）;⑼ 关断/自动重启动电路（当调节失控时,立即使芯片在低占空比下工作。倘若故障已排除,就自动重新启动电源恢复正常工作）;⑽ 高压电流源（提供偏流用）;⑾ 软启动电路;⑿ 欠压比较器;⒀ 电流极限比较器;⒁ 线路比较器;⒂ 多功能端的内部电路。TOPSwitch-FX的工作原理是利用反馈电流IC来调节占空比D,达到稳压目的。例如,当输出电压UO↑时,经过光耦反馈电路使得IC↑→D↓→UO↓,最终使UO不变。

1. 频率抖动振荡器及开关频率的设定

所谓频率抖动特性是指把开关频率调制在很窄频段内,以降低和基本开关频率的各次谐波相关的电磁干扰的幅度。TOPSwitch-FX的内部振荡器增加了“频率抖动”功能。当基本开关频速f1=130kHz时,开关以250Hz的频率在±4kHz的范围内抖动,实际开关频率f1′=f1±Δf1=130kHz±4kHz。由于f1′是在窄范围内偏移的可变频率,因此,能有效抑制由130kHz基频及其高次谐波所产生的干扰。谐波次数愈高,频率抖动的优点愈显著。例如,用此法可将开关频率的5次谐波噪声的平均值衰减10dB以上。选择半频工作方式时,抖动范围是±2kHz,实际开关频率f2′=63～67kHz。

2. 脉宽调制器与最大占空比

当控制端电流IC在规定范围内,而多功能端的输入电流IM为定值时,脉宽调制器的输出占空比D与IC成反比。PWM的增益为

实际上,占空比不仅与IC有关,还取决于IM值,这是它与TOPSwitch-Ⅱ的重要区别之一。

3. 跳过周期与最小占空比

如果开关电源的负载非常轻,以至于开关电源在最小占空比(Dmin=1.5%)之下所提供的输出功率仍然超过负载上的功耗,TOPSwitch-FX就采用跳过周期的工作方式进一步降低输出功率,以提高轻载电压的稳定性。此方式可等效为先将占空比固定在1.5%（或更低值）,然后用脉冲频率调制（PFM）方式调节轻载时的UO值。根据负载变化情况,开关电源能在正常工作和跳过周期方式二者之间自动转换,而无须其他控制。如不需要跳过周期,可在电源输出端接上最小负载RLmin,使D>Dmin=1.5%。

4. 内部极限电流与外部可编程极限电流

TOPSwitch-FX的漏极极限电流,既可由内部设定,亦可从外部设定。这是它与TOPSwitch-Ⅱ的另一显著区别。其内部自保护极限电流值如表2所列。TOPSwitch-FX在每个开关周期内都要检测MOSFET漏-源极通态电阻RDS(ON)上的漏极峰值电流ID(PK)。当ID(PK)>Ilimit时,过流比较器就输出高电平,依次经过触发器、主控门和驱动级,将MOSFET关断,起到过流保护作用。

表2 内部自保护极限电流值

为方便用户使用,也可从外部通过改变多功能端的流出电流IM（用负值表示,单位是μA）来设定极限电流I′limit值。I′limit的设定范围是（40%～100%）Ilimit。令KI=I′limit /Ilimit,KI表示极限电流的衰减因数,它与IM的关系曲线如图3所示。使用时只须在M\ S极之间接一只极限电流设定电阻RIL,通过改变RIL的阻值来调节IM的大小,即可从外部设定I′limit值。以TOP233Y为例,其Ilimit=1.00A(典型值)。当RIL=25kΩ时,I′limit=40%Ilimit=04A ;当RIL=6.7kΩ时,I′limit=100%Ilimit =1.0A。显然,每改变一次RIL的阻值,就重新设定一次I′limit,这就是“可编程”的真正含义。

图3 KI与IM的关系曲线

5. 遥控及外同步

通过控制流入（或流出）多功能端的电流IM,就能接通或关断TOPSwitch-FX。这样很容易用几种不同方式来遥控TOPSwitch-FX。例如,将通/断信号（ON/OFF）经过晶体管或光耦合器加到M-S极之间,即可启动或关断开关电源。这种遥控方式不仅损耗小、电路成本低,而且能省掉机械开关,并可利用微处理器控制导通与关断脉冲。在喷墨打印机和激光打印机中常采用这种控制方法。