基于Topswitch的新型高压直流电源

Topswitch器件及特性

Topswitch是美国Power Integrations公司从1994年起推出的开关电源新器件，它把脉宽调制（PWM）控制器与需压700V的功率开关管MOS-FET合二为一集成到一块芯片上，大多采用TO220三脚封装，通过漏极D、源极S和控制极C与外电路相连，如图1。

其产品型号除PWR-TOP100-104、PWR-TOP200-204、PWR-TOP209-210外，最近又推出了PWR-TOP221-270等新产品。Topswitch的IC的问世，不仅解决了过去由于开关电源中的脉宽调制控制芯片和功率开关管相互独立所造成的外围元件及辅助电路多，致便开关电源电路复杂的问题，且仍然具有过流保护和超高温关断等功能。它使SMPS开关电源对市电的适应范围加宽（可适应82～265V市电），有力地促进了SMPS的高效化、模块化、小型化和轻量化，为设计新一代SMPS奠定了基础。

在SMPS电路中，一般情况下，Topswitch开关器件的漏极D和变压器初级的一端相接。由于漏感引起的反峰电压反射到变压器的初级，将直接加在漏极上，而反峰电压与输出电压有关，即输出电压越高，反峰电压也越高，这对于漏极与源极之间耐压只有700V的Switch器件来说，超过700V将很容易使其击穿，因此Topswitch系列器件制做的开关电源，大多采用低压小功率输出，如何运用器件制做高压直流电源还是个新课题，下面针对这一问题进行了研讨。

高压直流电路的研制

依据Topswtich电路的特性，我们认为可采用二次升压的办法获得输出为数千伏的直流高压。

1、电路组成及工作原理

整个电路分为低压和高压两部分，如图2所示。

低压电路部分是工作频率为100KHz，具有最简单初级反馈偏置电路（去掉低电压输出的整流滤波部分）的开关电源，220V的市电经输出滤波、桥式整流和滤波，将300V的直流电压经变压器T1的初级绕组加到Topswitch的漏极，此时，Topswitch的内部振荡网络给其场效应管栅极提供一个高电平，使场效应管导通，漏极电流从零开始增大，在T1的次级绕组和反馈绕组中，就会感应出一个上负下正的感应电压（据同名端）。导通一定时间后，当Topswitch内部振荡网络加到场效应管栅极的电平由高变低时，使场效应管由导通变截止、在截止期间变压器T1初级绕组中的电压变为上负下正，次级绕组和反馈绕组上的电压为上正下负。此后Topswitch内部振荡网络加到场效应管栅极的电平由低变高，场效应管又开始导通，就这样周而复始，其工作波形见图3。这时在选择合适的电路元器件及其参数的情况下，可在变压器T1的次级3、4端获得30V（频率为100kHz）的电压输出。反馈绕组上的偏置电压由VD3、R1和C2整流滤波，加至Topswitch的控制极，该电路仅作为电路启动用，C2和R2一些完成控制制回路的补偿。VD1、CD2用以吸收由漏感引起的尖峰脉冲电压。

高压电路部分仅含高压升压变压器T2和若干高压整流二级管及滤波电容C3。若变压器的T1次级输出的30V100kHz的交流电压经T2升压、整流滤波，就可得到数千伏的高压直流电。

2、输出电压的确定和变压器的设计

变压器T1的设计：实验电路选用TOP204在220/240V交流电压下，占空比为50%，而Pmin=52W,Pnom=74W,Pmax=135W，器件工作时要求变压器的初级电感是770～1480μH。为使变压器的设计满足高频工作条件，其铁芯应选用高频铁氧体E128磁芯。经计算如初级绕组NP为45匝，则反馈绕组磁NB为5匝，次级绕组Ns可由PI公司推荐的μ01=[5.7+(Ic×15)]Ns/NB-VD3,该公式可简化为μ01=5.7V×NS/NB-VD3，现将输出电压按μ0130V计，则可算出次级绕组匝数NS=27匝。

变压器T2设计除了要满足高频工作电磁能量传递的必要条件（最好选用有效面积和磁路长度与E128相当的口字形高频铁芯）外，还必需满足高压绝缘条件。其骨架的选择和绕制方法均可仿效电视机的高压包，绕好后还要经过浸染和烘干，装上铁芯后，最好用环氧脂封固，接入电路前要用摇表测其绝缘强度。若T2的初级匝数定为20匝，次级匝数定为300匝，接入低压电路后则可获得4500V的高压直流输出。

3、本高压直流电源研制注意事项及特点

用Topswitch，采用二次升压的办法研制变压直流电源，其变压器设计是关键，也是技术难点。要选好材料精心绕制，才能达到技术要求。其次是要搞好电路元器件的布局，为防止高压电路部分对低压电路的影响，对高压电路应采取适当的防护措施（如屏蔽）。再次是对已安装好的高、低压电路分别调制，然后再相接，联结时要注意同名端。

该电路具有设计简单，调试方便等优点，所需元器件不多，只要注意上述问题，选好元器件参数，就可得到所需的高压直流输出。