基于单片开关电源的智能功率模块驱动电源的设计
的工频变压器，还可以采用体积较小的滤波元件和散热器，这就为研究与开发高效率、高密度、高可靠性、体积小、重量轻的开关电源奠定了基础。
1.2.1 开关电源的发展历史
开关电源已有几十年的发展历史。早期产品的开关频率很低，成本昂贵，仅用于卫星电源等少数领域。20世纪60年代出现过晶闸管（旧称可控硅）相位控制式开关电源，70年代由分立元件制成的各种开关电源，均因效率不够高、开关频率低、电路复杂、调试困难而难以推广。70年代后期以来，随着集成电路设计与制造技术的进步，各种开关电源专用芯片大量问世，这种新型节能电源才重获发展。目前，开关频率已从20kHz左右提高到几百千赫至几兆赫。与此同时，供开关电源使用的元器件也获得长足发展。MOS功率开关管（MOSFET）、肖特基二极管（SBD）、超快恢复二极管（SRD）、瞬态电压抑制器（TVS）、压敏电阻器（VSR）、熔断电阻器（FR）、自恢复保险丝（RF）、线性光耦合器、可调式精密并联稳压器（TL431）、电磁干扰滤波器（EMI Filter）、高导磁率磁性材料、由非晶合金制成的磁珠、三重绝缘线、玻璃珠胶合剂等一大批新器件、新材料正被广泛采用。所有这些，都为开关电源的推广与普及提供了必要条件。
1.2.2 开关电源的发展趋势
近20多年来，开关电源沿着下述两个方向发展。第一个方向是对开关电源的核心单位——控制电路实现集成化。1977年国外首先研制成功脉冲调制（PWM）控制器集成电路，美国摩托罗拉（Motorola）、硅通用（Silicon General）公司等公司相继推出一批PWM芯片，典型产品有MC3520、SG3524、UC3842。90年代以来，国外又研制出开关频率达1MHz的高速PWM、PFM（脉冲频率调制）芯片，典型产品如UC1825、UC1864。第二个方向则是对中、小功率开关电源实现单片集成化。这大致分两个阶段：80年代初，意－法半导体有限公司（SGS-Thomson）率先推出L4960系列单片开关稳压器。该公司于90年代又推出了L4970A系列。其特点是将脉冲调制器、功率输出级、保护电路等集成在一个芯片中，使用时配工频变
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压器和电网隔离，适于制作低压连续可调式输出（5．1～40V）、大中功率（400W以下）、大电流（1．5～10A）、高效率（可超过90％）的开关电压。但从本质上讲，它仍属于DC/DC电源变换器。
1994年，美国电源集成公司（Power Intergration Inc）在世界上首先研制成功的三断隔离、脉宽调制型反激式单片开关电源，被人们誉为“顶级开关电源”。其第一代产品为TOPSwitch系列（TOP100/TOP200系列），第二代产品则是1997年问世的TOPSwitch——Ⅱ系列（TOP221～TOP227）。该公司于1998年又推出了高效率、小功率、低价格的四端单片开关电源TinySwitch系列，并于1999年开关出TNY265系列新产品。2000年初，PI公司又研制出TOPSwitch——FX系列五端单片开关电源，充分展示出单片开关电源蓬勃发展的新局面和良好的应用前景。目前，单片开关电源已形成具有六大系列、67种型号的产品。
单片开关电源属于AC/DC电源变换器。以TOPSwitch——Ⅱ系列为例，它内部包含控制电压源、带隙基准电压源、振荡器、并联调整器/误差放大器、脉宽调制器、门驱动级、高压功率开关管（MOSFET）、过流保护电路、过热保护及上电复位电路、关断/自动重启动电路和高压电流源。芯片的集成度很高，外围电路简单，通过输入整流滤波器，适配85~265V、47~440Hz的交流电，可构成世界通用的各种开关电源或电源模块。它在价格上完全可以和同等功率的线性稳压电源相竞争，而电源效率显著提高，体积和重量则大为减小。单片开关电源的迅速发展与应用，使人们多年来所追求的高性价比、无工频变压器式开关电源变成现实。
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第二章 三端单片开关电源的原理与应用
单片开关电源具有单片集成化、最简外围电路、最佳性能指标、无工频变压器、能实现电气隔离等显著特点。美国PI公司研制的TOPSwitch系列产品一经问世便显示出强大的生命力，它极大地简化了150W以下开关电源的设计和新产品的开发工作，也为新型、高效、低成本开关电源的推广与普及创造了良好条件。
本章深入阐述开关电源基本原理，三端单片开关电源的产品分类、工作原理及反馈电路类型。
2.1 开关电源的基本原理
目前生产的开关电源大多采用脉宽调制方式，少数采用脉冲频率调制或混合调制方式。下面对开关电源控制方式及脉宽调制的基本原理作简要介绍。
2.1.1 开关电源的控制方式
无工频变压器开关电源的控制方式大概有以下三种：
（1）脉冲宽度调制方式，简称脉宽调制（PWM）。其特点是固定开关频率，通过改变脉冲宽度来调节占空比。其缺点是受功率开关管最小导通时间的限制，对输出电压不能作宽范围调节；另外输出端一般要接假负载（亦称预负载），以防空载时输出电压升高。目前，集成开关电源大多采用PWM方式。
（2）脉冲频率调制方式，简称脉冲调制（PFM）。它是将脉冲宽度固定，通过改变开关频率来调节占空比的。其稳压原理是：当输出电压Vo升高时，控制器输出信号的脉冲宽度不变而周期变长，使占空比减小，Vo降低。PFM式开关电源的输出电压调节范围很宽，输出端可不接假负载。 （3）混合调制方式，是指脉冲宽度与开关频率均不固定，彼此都能改
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变的方式，它属于PWM和PFM的混合方式。这种调制方式的占空比调节范围最宽，适合制作供实验室使用的输出电压可以宽范围调节的开关电源。
2.1.2 脉宽调制式开关电源的基本原理
脉冲调制式开关电源的基本原理图如图2．1所示。交流220V输入电压经过整流滤波后变成直流电压Vi，再由开关管VT（或MOSFET）斩波、高频变压器T降压，得到高频矩形波电压，最后通过输出整流滤波器VD、C2，获得所需要的直流输出电压VO。脉冲调制器是这类开关电源的核心，它能产生频率固定而脉冲宽度可调的驱动信号，控制功率开关管的通断状态，来调节输出电压的高低，达到稳压目的。锯齿波发生器提供时钟信号。利用误差放大器和PWM比较器构成闭环调节系统。假如由于某种原因致使VO↓，脉冲调制器就改变驱动信号的脉冲宽度，亦即改变占空比D，使斩波后的平均电压升高，导致VO↑。反之亦然。
图2．1脉冲调制式开关电源的基本原理图
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2.2 TOPSwitch——Ⅱ系列的产品分类及性能特点
TOPSwitch——Ⅱ与第一代产品相比，它不仅在性能上有进一步改进，而且输出功率得到显著提高，现已成为国际上开发中、小功率开关电源模块的优选集成电路。
2.2.1 产品分类
按封装形式，TOPSwitch——Ⅱ可划分为三种类型：①采用TO-220 封装的TOP221Y~TOP227Y型；②采用8脚双列直插式（DIP-8）封装的TOP221P~224P型；③采用8脚表面安装式（SMD-8）封装的TOP221G~224G型。产品分类情况详见表2．1。表中，POM表示加合适散热器后所能获得的最大连续输出功率。对于TO-220封装，需在小散热片上加散热器，使芯片在正常工作时的结温小于100℃；对于DIP-8和SMD-8封装，可借助印刷板上公共地线区域的敷铜箔来代替散热片，将源极直接焊接在面积为6．45cm2敷铜箔上。有时为减少开关电源模块的体积，还可将凹型铝散热板直接粘贴在DIP-8（或SMD-8）封装的芯片上面，或将散热板与源极固定在一起，同样能起到散热作用。 2.2.2 性能特点
TOPSwitch——Ⅱ系列产品具有以下显著特点：
（1）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
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