第四代TOPSwitch?GX系列单片开关电源
第四代topswitch?gx系列单片开关电源
摘要：topswitch?gx是美国powerintegrations公司在继topswitch?i、ii、fx三个系列之后，开发的最新单片开关电源系列。该系列芯片通过改进布局，扩展了电源功率，增加了大量新功能，从而有效地提高了电源设计的灵活性及电源效率。介绍了新型topswitch?gx系列中top242?250芯片的性能特点、工作原理。关键词：topswitch?gx；单片开关电源；软启动；高效率fourthgenerationtopswitch?gxseriesicpowersupply
1引言
开关电源由于在体积、重量、效率和可靠性等多方面的优势,目前在计算机、通信、家用电器、雷达、空间技术等众多领域中已完全取代了传统的线性稳压电源。美国powerintegrations公司在20世纪90年代推出的单片集成化开关电源topswitch?i、ii、fx系列产品，为新型、高效、低成本开关电源的推广与普及创造了良好条件，被誉为“顶级开关电源”。但是这些ic电源仍存在一些不足：纹波电压较大、空载和轻载损耗大、高温工作时输出功率受限、启动时元件承受较大的尖峰电压和电流以及设计不够灵活等。针对这些不足之处，powerintegrations公司优化了芯片的内部布局，改进了电路功能，于2001年新推出了topswitch家族的第四代芯片:topswitch?gx系列。
topswitch?gx系列不仅继承了早期的topswitch将高压功率mosfet管、pwm控制、故障自动保护及其它控制电路集成在一个cmos芯片上的优点，而且还增加了许多新功能，从而有效地降低了电源系统成本，提高了电源性能，改善了设计灵活性并扩展了电源输出功率。其中的top250型芯片是世界上功率最高的单片电源ic，其最大输出功率可达290w，该芯片极大地扩展了开关电源芯片在大功率领域内的应用范围。
2新增功能介绍
topswitch?gx系列新增的主要功能及其优点如下：
1）更宽的输出功率范围，最大可达290w;
2）可减少外围器件的损耗;
3）在极低压或过压时能实现完全软启动，进一步减小了器件在启动时的电压、电流应力；
4）外部可编程精确地设定限制电流，减小了变压器铁芯体积，提高了电源效率;
5）更大的占空比，能提供更大的输出功率并减小了输入电容;
6）在y、r、f型式封装中将电压检测管脚与限流管脚分开封装，提高了设计的灵活性;
7）欠压保护，不会造成误关断;
8）有过压保护，可以限制浪涌电流;
9）采用线电压前馈,减小了低压时的输出电压纹波，限制了高压时的最大占空比（dmax）;
10）有±3％的频率抖动，减小了电磁干扰（emi）,并降低了emi滤波器的损耗;
11）空载、轻载时可降低工作频率，使输出电路无需加假负载，从而显著地减少了能量损耗;
12）高达132khz的工作频率，减小了变压器和电源的体积;
13）在视频应用时可选择半频（66khz）运行（只限于y、r、f封装）;
14）温度范围更宽的滞后热关断，允许电源在高温下输出更大的功率，并有效地防止装置过热。
topswitch?gx系列的这些优点使其可广泛地应用于手提电脑、pda、集线器、交换器、路由器、台式电脑、小型服务器、机顶盒、数码电视、打印机、dvd播放器、ups、电视游戏机、音频放大器等装置中。
3管脚功能描述
topswitch?gx系列有top242—top250的9种不同容量型号，又分为y、p、g、r、f等5种封装形式。根据封装形式不同，topswitch?gx系列芯片新增的管脚数也不同。p、g型封装与第三代芯片topswitch?fx系列一样只有d、s、c、m四个管脚，而y、r、f型封装则有六个管脚：d、s、c、f、x、l。图1为y/r/f型封装芯片引脚及内部功能方框图。y、r、f型封装的管脚功能如下。
漏极管脚（d）高压功率mosfet漏极输出。通过此脚从高压开关电流源输入内部启动偏置电流。
控制管脚（c）用于调节占空比的误差放大器与电流输入脚。在正常操作期间通过连接至内部分流调节器来提供内部偏置电流，也可以作为电源的旁路和自动重启/补偿电容的连接点。
源极管脚（s）将其连接至输出mosfet源极时可得到高压功率回馈。
电压检测管脚（l）作为欠压保护（uv）、过压保护(ov)、减少dmax的线性前馈及远程开/关等4项功能的控制脚。当脚l与脚s短接时，各项功能均不起作用；当l脚串联电阻接至电源母线时，可实现uv、ov及随母线电压减少dmax的3项功能；当脚l通过电阻与脚c相连，并外接一级开关信号放大电路时可以实现远程控制开/关的作用。
外部限流管脚（x）用于外部电流限制值设置的输入脚。当串联电阻接至地线时为外部可编程精确设定限流值，当串电阻接至电源母线时可随母线电压调节限流值。
频率管脚（f）用于选择开关频率的输入脚。在多数应用场合下将脚f连接至源极管脚s，此时开关频率为132khz。在一些特殊应用场合如对噪音敏感的音频设备中，将脚f连接至控制管脚c时开关频率降为66khz以减小干扰。
4典型应用实例
4?130w通用高效电源
图2是一个30w高效通用电源电路。该电路利用topswitch?gx的某些特点降低了系统成本和减小了电源尺寸，并且改善了效率。实现了初、次级的完全隔离。电源性能指标为：输出电压为12v，输出功率为30w，输出纹波不大于50mvp?p，输入电压范围为85～265v交流，环境温度为50℃，满载时可达到标称效率80％。
电路原理：电流限制通过外部电阻r1和r2被设定。随着线性电压的升高，电阻r1和r2分压提供给x端的信号降低了电流限制。电阻r4提供了线性检测，设置uv为dc100v和ov为dc450v。r5，c5提供环路补偿。次级电压通过d8,c10,c11整流、滤波，l3,c12开关噪声滤波后输出直流电压。使用60v的肖特基整流器（d8）来提供15v的输出电压，从而大大提高了电源的效率。输出电压由齐纳二极管（vr2）、光耦（u2）内部二极管和电阻r6决定。在非线性、加载和元件参数变化时，电阻r8提供给齐纳二极管vr2偏置电流，调节12v直流输出电压稳定在±5％内。使用topswitch?gx可消除在进行无负载调节时使用假负载，并可减少无负载和轻载下的电源损耗。
4?2微处理器（mpu）控制电源远程开/关
低成本瞬间触点开关在一些应用程序（如打印
图230w高效通用电源电路图
图3运用mpu远程控制电源的开/关电路图
机）要求的微处理器控制下能用于开/关。topswitch?gx芯片内置的远程开/关功能允许使用少量外部元件实现这一功能，具体电路如图3所示。
电路原理：每当用户闭合按钮瞬间触点开关p1时，光耦u3被激活，把信号传送给微处理器的逻辑输入端。首先，当电源断开时(m端处于浮动状态)，p1关闭，通过一只二极管短接topswitch?gx的m端和源极打开电源。当次级输出电压vcc建立时，微处理器被激活并且确认由光耦u3输出信号驱动开关状态输入，开关p1关闭。然后微处理器通过光耦u4发送电源控制信号使电源处于接通状态。如果用户再次按下开关p1，发出关断命令，微处理器通过光耦u3检测它并且启动产品专用的关程序。例如，在喷墨打印机中，关程序包括可以在存储位置安全地停止打印头。在有磁盘驱动器的产品中，关程序包括保存数据和调整磁盘。在关程序完成后，安全地关掉电源时，微处理器通过断开光耦u4释放m端。如果手动开关和光耦u3、u4不设置接到m端，当m端开路时，电容cm可以防止噪声耦合到这个端。
电源也能通过局域网或由光耦u4输入led逻辑信号到并行或串行口远程控制打开。有时通过一根电缆(如交流耦合电缆)替代直流逻辑电平发送一列逻辑脉冲作为提醒信号，是更容易的。因此，简单的rc滤波器用来产生一个直流电平去驱动u4(在图3中没有显示出来)。远程打开特点能用来提醒外围设备，例如打印机、扫描仪、外部的调制解调器、磁盘驱动器等。如果外围设备在一个时段内不保存功率，则通常被设计为自动关断状态。 5结语
综上所述，除了使用少量外围元件之外，topswitch?gx在这类应用中还提供了许多技术优势：如在关断模式下功率消耗极小，低成本、低冲击电压/电流，使用瞬间触点开关，瞬间开关无需防反跳电路，设计灵活等。采用topswitch?gx系列开关器件可以设计出各种高效率、多输出端电源，广泛应用于各种领域。
topswitch?gx的一系列设计工具软件及选型表可以从生产商powerintegrations公司网址：http://www/powerint.com下载，还可以从网上申请一套包括30w电源原型电路板、topswitch－gx样品和全套软件的设计工具包。国内总代理为香港科汇(亚太)有限公司盈丰分部。
参考文献
[1]powerintegrations.datasheettop242－
250.
[2]沙占友.新型特种集成电源及应用[m].
北京:人民邮电出版社,1998.
[3]张占松.高频开关稳压电源[m].广州:广
东科技出版社,1993.
[4]李乃英.一种新型单片开关电源的设计
[j].电力电子技术:1999(6).
苹果手机指纹解锁不灵敏怎么办
运放内部电路结构涉及知识点讲解
软通动力彭强：AIGC 加速工业元宇宙价值创造
ISP pipeline 流程图及功能模块简述
如何在Segger J-Flash中设置芯片初始化序列？
第四代TOPSwitch?GX系列单片开关电源
实测iPhone5S、iPhone6、iPhoneSE升级iOS10.3.2速度对比，苹果又推送iOS10.3.3最新版只为迎接iOS11！
如何在人与汽车之间构建一个交互系统?
丰田计划在未来十年内将氢燃料电池登月车送上月球
碳化硅技术的挑战与应用
浅谈8大5G+AGV/AMR应用案例
如何判断语音模块的质量
骁龙移动平台协助你在游戏战场上纵横驰骋
智能电表怎么恢复通电 智能电表怎样抄表
无功补偿的优点_无功补偿的缺点
虚拟内存怎么设置
情怀值钱吗？诺基亚Nokia6：红米3S处理器，价却超小米5
2021除甲醛空气净化器品牌排行榜，哪个效果比较好
高频PCB设计出现干扰的解决方案
库房温湿度对档案的影响
摘要：topswitch?gx是美国powerintegrations公司在继topswitch?i、ii、fx三个系列之后，开发的最新单片开关电源系列。该系列芯片通过改进布局，扩展了电源功率，增加了大量新功能，从而有效地提高了电源设计的灵活性及电源效率。介绍了新型topswitch?gx系列中top242?250芯片的性能特点、工作原理。关键词：topswitch?gx；单片开关电源；软启动；高效率fourthgenerationtopswitch?gxseriesicpowersupply
1引言
开关电源由于在体积、重量、效率和可靠性等多方面的优势,目前在计算机、通信、家用电器、雷达、空间技术等众多领域中已完全取代了传统的线性稳压电源。美国powerintegrations公司在20世纪90年代推出的单片集成化开关电源topswitch?i、ii、fx系列产品，为新型、高效、低成本开关电源的推广与普及创造了良好条件，被誉为“顶级开关电源”。但是这些ic电源仍存在一些不足：纹波电压较大、空载和轻载损耗大、高温工作时输出功率受限、启动时元件承受较大的尖峰电压和电流以及设计不够灵活等。针对这些不足之处，powerintegrations公司优化了芯片的内部布局，改进了电路功能，于2001年新推出了topswitch家族的第四代芯片:topswitch?gx系列。
topswitch?gx系列不仅继承了早期的topswitch将高压功率mosfet管、pwm控制、故障自动保护及其它控制电路集成在一个cmos芯片上的优点，而且还增加了许多新功能，从而有效地降低了电源系统成本，提高了电源性能，改善了设计灵活性并扩展了电源输出功率。其中的top250型芯片是世界上功率最高的单片电源ic，其最大输出功率可达290w，该芯片极大地扩展了开关电源芯片在大功率领域内的应用范围。
2新增功能介绍
topswitch?gx系列新增的主要功能及其优点如下：
1）更宽的输出功率范围，最大可达290w;
2）可减少外围器件的损耗;
3）在极低压或过压时能实现完全软启动，进一步减小了器件在启动时的电压、电流应力；
4）外部可编程精确地设定限制电流，减小了变压器铁芯体积，提高了电源效率;
5）更大的占空比，能提供更大的输出功率并减小了输入电容;
6）在y、r、f型式封装中将电压检测管脚与限流管脚分开封装，提高了设计的灵活性;
7）欠压保护，不会造成误关断;
8）有过压保护，可以限制浪涌电流;
9）采用线电压前馈,减小了低压时的输出电压纹波，限制了高压时的最大占空比（dmax）;
10）有±3％的频率抖动，减小了电磁干扰（emi）,并降低了emi滤波器的损耗;
11）空载、轻载时可降低工作频率，使输出电路无需加假负载，从而显著地减少了能量损耗;
12）高达132khz的工作频率，减小了变压器和电源的体积;
13）在视频应用时可选择半频（66khz）运行（只限于y、r、f封装）;
14）温度范围更宽的滞后热关断，允许电源在高温下输出更大的功率，并有效地防止装置过热。
topswitch?gx系列的这些优点使其可广泛地应用于手提电脑、pda、集线器、交换器、路由器、台式电脑、小型服务器、机顶盒、数码电视、打印机、dvd播放器、ups、电视游戏机、音频放大器等装置中。
3管脚功能描述
topswitch?gx系列有top242—top250的9种不同容量型号，又分为y、p、g、r、f等5种封装形式。根据封装形式不同，topswitch?gx系列芯片新增的管脚数也不同。p、g型封装与第三代芯片topswitch?fx系列一样只有d、s、c、m四个管脚，而y、r、f型封装则有六个管脚：d、s、c、f、x、l。图1为y/r/f型封装芯片引脚及内部功能方框图。y、r、f型封装的管脚功能如下。
漏极管脚（d）高压功率mosfet漏极输出。通过此脚从高压开关电流源输入内部启动偏置电流。
控制管脚（c）用于调节占空比的误差放大器与电流输入脚。在正常操作期间通过连接至内部分流调节器来提供内部偏置电流，也可以作为电源的旁路和自动重启/补偿电容的连接点。
源极管脚（s）将其连接至输出mosfet源极时可得到高压功率回馈。
电压检测管脚（l）作为欠压保护（uv）、过压保护(ov)、减少dmax的线性前馈及远程开/关等4项功能的控制脚。当脚l与脚s短接时，各项功能均不起作用；当l脚串联电阻接至电源母线时，可实现uv、ov及随母线电压减少dmax的3项功能；当脚l通过电阻与脚c相连，并外接一级开关信号放大电路时可以实现远程控制开/关的作用。
外部限流管脚（x）用于外部电流限制值设置的输入脚。当串联电阻接至地线时为外部可编程精确设定限流值，当串电阻接至电源母线时可随母线电压调节限流值。
频率管脚（f）用于选择开关频率的输入脚。在多数应用场合下将脚f连接至源极管脚s，此时开关频率为132khz。在一些特殊应用场合如对噪音敏感的音频设备中，将脚f连接至控制管脚c时开关频率降为66khz以减小干扰。
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4?130w通用高效电源
图2是一个30w高效通用电源电路。该电路利用topswitch?gx的某些特点降低了系统成本和减小了电源尺寸，并且改善了效率。实现了初、次级的完全隔离。电源性能指标为：输出电压为12v，输出功率为30w，输出纹波不大于50mvp?p，输入电压范围为85～265v交流，环境温度为50℃，满载时可达到标称效率80％。
电路原理：电流限制通过外部电阻r1和r2被设定。随着线性电压的升高，电阻r1和r2分压提供给x端的信号降低了电流限制。电阻r4提供了线性检测，设置uv为dc100v和ov为dc450v。r5，c5提供环路补偿。次级电压通过d8,c10,c11整流、滤波，l3,c12开关噪声滤波后输出直流电压。使用60v的肖特基整流器（d8）来提供15v的输出电压，从而大大提高了电源的效率。输出电压由齐纳二极管（vr2）、光耦（u2）内部二极管和电阻r6决定。在非线性、加载和元件参数变化时，电阻r8提供给齐纳二极管vr2偏置电流，调节12v直流输出电压稳定在±5％内。使用topswitch?gx可消除在进行无负载调节时使用假负载，并可减少无负载和轻载下的电源损耗。
4?2微处理器（mpu）控制电源远程开/关
低成本瞬间触点开关在一些应用程序（如打印
图230w高效通用电源电路图
图3运用mpu远程控制电源的开/关电路图
机）要求的微处理器控制下能用于开/关。topswitch?gx芯片内置的远程开/关功能允许使用少量外部元件实现这一功能，具体电路如图3所示。
电路原理：每当用户闭合按钮瞬间触点开关p1时，光耦u3被激活，把信号传送给微处理器的逻辑输入端。首先，当电源断开时(m端处于浮动状态)，p1关闭，通过一只二极管短接topswitch?gx的m端和源极打开电源。当次级输出电压vcc建立时，微处理器被激活并且确认由光耦u3输出信号驱动开关状态输入，开关p1关闭。然后微处理器通过光耦u4发送电源控制信号使电源处于接通状态。如果用户再次按下开关p1，发出关断命令，微处理器通过光耦u3检测它并且启动产品专用的关程序。例如，在喷墨打印机中，关程序包括可以在存储位置安全地停止打印头。在有磁盘驱动器的产品中，关程序包括保存数据和调整磁盘。在关程序完成后，安全地关掉电源时，微处理器通过断开光耦u4释放m端。如果手动开关和光耦u3、u4不设置接到m端，当m端开路时，电容cm可以防止噪声耦合到这个端。
电源也能通过局域网或由光耦u4输入led逻辑信号到并行或串行口远程控制打开。有时通过一根电缆(如交流耦合电缆)替代直流逻辑电平发送一列逻辑脉冲作为提醒信号，是更容易的。因此，简单的rc滤波器用来产生一个直流电平去驱动u4(在图3中没有显示出来)。远程打开特点能用来提醒外围设备，例如打印机、扫描仪、外部的调制解调器、磁盘驱动器等。如果外围设备在一个时段内不保存功率，则通常被设计为自动关断状态。 5结语
综上所述，除了使用少量外围元件之外，topswitch?gx在这类应用中还提供了许多技术优势：如在关断模式下功率消耗极小，低成本、低冲击电压/电流，使用瞬间触点开关，瞬间开关无需防反跳电路，设计灵活等。采用topswitch?gx系列开关器件可以设计出各种高效率、多输出端电源，广泛应用于各种领域。
topswitch?gx的一系列设计工具软件及选型表可以从生产商powerintegrations公司网址：http://www/powerint.com下载，还可以从网上申请一套包括30w电源原型电路板、topswitch－gx样品和全套软件的设计工具包。国内总代理为香港科汇(亚太)有限公司盈丰分部。
参考文献
[1]powerintegrations.datasheettop242－
250.
[2]沙占友.新型特种集成电源及应用[m].
北京:人民邮电出版社,1998.
[3]张占松.高频开关稳压电源[m].广州:广
东科技出版社,1993.
[4]李乃英.一种新型单片开关电源的设计
[j].电力电子技术:1999(6).
苹果手机指纹解锁不灵敏怎么办
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ISP pipeline 流程图及功能模块简述
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