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新型运算放大器电源电路

来源:电子设计信息网/作者:辛伊波 张松兰?? 2007年11月05日 ?? 收藏0

  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。

TOPSwitch芯片结构

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RC、采样电阻RE、比较器A1和F1等元件组成。控制极电压UC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UC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RS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,RS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,UC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,UC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UC升高,内部采样电阻RE上端的误差电压URE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UC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UC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UIMAX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。


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开关电源? 运算放大器? TOPSwitchIC?

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