运算放大器电源电路

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运算放大器电源电路
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VRl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Rl、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