新型运算放大器电源电路

摘要：分析了以TOPSwitch系列为基础的运算放大器电源电路的组成，对芯片工作原理及应用技术作了详尽的讨论，并给出了实用电路。实验表明其效率达到92%左右。

关键词：开关电源；运算放大器；TOPSwitchIC

前言

电子电路中的运算放大器是高度精密器件，对电源系统的稳定性有极严格的指标要求。目前的运放电源普遍采用PWM开关电源形式。其中，常用的它激式开关电源一般采用集成电路如TL494、UC3842等配以相关外围元件，产生PWM信号驱动开关管，使变换电路工作在开关状态，经整流滤波最终实现DC/DC变换。这种方式振荡频率稳定，并且通过反馈电路容易实现过流、过压保护。为了追求电源的小型化和低成本，人们不断发明一些复合型集成电路，其中以TOPSwitch系列集成电路最具有代表性。该器件集PWM信号控制电路和功率开关器件MOSFET于一体，外形类似普通的功率晶体管，具备了PWM开关稳压电源所需的全部功能。此种电路构成的电源与前述电源相比较，电路稳定性更高，外围元器件更少，电路结构简洁，设计和调试也更为容易，是运算放大器及调理电路的理想电源。本文从应用角度对TOPSwitch系列集成电路的原理及实用电路的设计进行讨论。

TOPSwitch芯片结构与工作原理

TOPSwitch芯片由美国POWER公司设计，其内部结构如图1所示。电路采用CMOS制作工艺，内置MOSFET功率开关管。该器件外部仅有三个控制管脚，D(漏极)为主电源输入端，连接内部MOSFET漏极；C(控制)为误差放大电路和反馈电流信号输入端，利用控制电流调节占空比；S(源极)连接内部MOSFET的源极，是电源公共端，也是控制电路的基准点。

图1　TOPSwitch芯片结构

TOPSwitch芯片特别适宜制作功率不大于100W的小型电源。TOPSwitch系列电路芯片有多种型号，由于型号和功率不同，其封装形式也不同。TOP系列器件的主要工作参数如下：工作频率100kHz，自启动电压1.0V，占空比2～67%，MOS2FET结温-40～150℃，控制电压-0.3～8V，漏极电压30～700V，控制电流100mA，欠压封锁门限4.7V，截止电流500μA，热保护温度145℃。TOPSwitch芯片的开关频率为100kHz，开关管占空比由C脚电流以线性比例控制。电路启动时，由漏极经内部高压电流源为C脚提供工作电压UC。实际电路中C脚外部应接入电容，以电容的充电过程控制UC逐步升高，完成电路的软启动过程。其PWM反馈控制回路由R_C、采样电阻R_E、比较器A₁和F₁等元件组成。控制极电压U_C为控制电路提供电源，同时也是PWM反馈控制回路的偏置电压。

比较器A₂的基准电压设置为5.7V，当U_C高于5.7V时，A2输出高电平。与此同时，PWM控制电流经电阻R与振荡器输出的锯齿波电流分别输入PWM比较器A₃的+、-输入端，这时因反馈控制电流较小，从A₃反向端输入的锯齿波信号经门电路G₃和G₄送至R_S触发器B₂的复位端。在锯齿波信号和时钟信号的共同作用下，R_S触发器的输出端Q被置为高电平，G₄由振荡信号的控制，然后经两次反相，送到开关管F₂的栅极，开关管处于开关状态，电源正常工作。

电路启动结束，U_C升至门限电压(+4.7V)，A₂输出高电平，驱动电子开关动作，控制电路的供电切换至内部电源。正常工作条件下，电路芯片通过外围电路形成电压负反馈闭环控制，调节开关管的占空比，实现输出电压的稳定。

TOPSwitch芯片有独特的自启动功能，当电源输出呈现下述状态，电路转入自启动工作，实现保护的目的：(1)负载短路造成输出电压严重下降；(2)人为降低UC的电压使系统处于待机状态。在正常工作条件下，U_C由电压负反馈电路决定：当电源输出电压由于某种原因上升，使U_C升高，内部采样电阻R_E上端的误差电压U_RE升高，与振荡器输出的锯齿电压由A₃比较后，输出控制使输出电压的占空比减小，电源输出电压则下降；当输出电压下降时，情况则相反。在自启动阶段(控制极电压U_C低于门限电压+5.7V时)，控制电路进入低功耗的待命状态。此时，由于比较器A₂的滞回特性，电子开关频繁在高压电流源和内部电源之间进行切换，使得U_C值保持在4.7～5.7V之间。自启动电路由8分频计数器完成延时功能，阻止输出级MOSFET管F₂连续导通，直到8个充电/放电周期完全结束后，才可再次导通。在自启动期间，MOSFET管的占空比被控制在5%左右，限制电路输出电压和产生功耗。TOPSwitch电路芯片通过预置U_IMAX值来实现过流保护。芯片内部设有精密温度检测电路，当MOSFET的结温高于145℃时，控制电路截MOSFET，实现过热保护。

典型应用电路设计

图2是一个采用TOP204YAI设计的24V/50W高精度运算放大器电源的典型实用电路。该电路的工作原理是，从高频整流输出端引出的电压信号经光电耦合器IC₂送至TOP开关IC₁的控制端C，通过TOP器件控制PWM的占空比实现输出电压的稳定。可调稳压管IC₃串联在光电耦合器IC₂发光管回路，调整取样电阻VRl可以改变IC₃的稳压值，从而导致流过IC₂阴极和阳极的电流变化，达到改变反馈深度，对输出电压实现微调。一旦输出端出现过流或短路现象，取样电阻VR_l上电压降低，IC₃控制端电流减少，流过IC₃电流减少，光电耦合器IC₂发光二极管的亮度下降，光电三极管截止，IC₁停止工作。该电路在输入端加入了电源噪声滤波器PNF和限流热敏电阻NTC，并在开关变压器初级用R_l、C₂、D₁组成的尖峰电压吸收电路，增加了电路的可靠性。

图2　TOPSwitch实用电路

该电路无须调整，加电即可工作，输出电压非常稳定。和同类电路相比，减少元器件30只左右，减少重量约40%，效率可达92%，成本显著降低。