【应用】基于TOP255PN离线式开关IC设计的20W极低空载功耗电源，平均效率超过能源之星2.0的要求

时间： 2019-01-19 来源：POWER INTEGRATIONS

技术问答

Power Integrations（简称PI）公司推出的TOPSwitch-HX系列离线式开关IC，以经济高效的方式将一个700V的功率MOSFET、高压开关电流源、PWM控制器、振荡器、热关断保护电路、故障保护电路及其它控制电路集成在一个单片器件内。TOPSwitch-HX采用了高效节能的EcoSmart技术，在整个负载范围内均具有极高的效率。本文主要介绍TOPSwitch-HX系列中的TOP255PN在空载功耗低、待机效率高的20W电源中的应用。

图1 TOPSwitch-HX离线式开关IC的外观图

TOP255PN离线式开关IC采用P封装（塑封DIP-8C），其引脚为纯镀锡封装。基于TOP255PN设计的这款20W电源，可在通用的输入电压范围（85～265VAC）下工作，输出电压和电流分别为12V和1.67A。

图2 基于TOP255PN设计的20W电源的PCB图

图3是该20W电源的电路图，为反激拓扑结构。图中用U1代表TOP255PN，它共有4个引脚，分别是漏极（D）引脚、多功能（M）引脚、控制（C）引脚和源极（S）引脚。U1以66kHz的开关频率工作，能将C引脚的输入电流转化为功率MOSFET开关输出的占空比，在正常工作情况下，功率MOSFET的占空比随控制引脚电流的增加而线性减少。U1还具有高压启动、逐周期电流限制、环路补偿电路、自动重启动、热关断等特性。

图3 基于TOP255PN设计的20W电源的电路图

U1的M引脚集多种功能（通常需要对应的多个引脚）于一体，通过R3和R4与高压DC总线相连，可提供线电压前馈（提高对线电压纹波的抑制力）、设定欠压锁定（UVLO）的阈值（智能的欠压保护）和过压关断的阈值（提高对浪涌的耐受力）。当C2的电压达到约95VDC时，经R3、R4流入M引脚的电流会超过25µA，即超过了欠压阈值，从而使能U1。

U1的PWM控制器通过驱动输出MOSFET来实现多模式控制，在高负载条件下，控制器在全频（即66kHz）PWM模式下进行工作，通过改变C引脚的输入电流来改变占空比，从而调整输出电压。逐周期的峰值漏电流限制电路中有一个流限比较器，用来比较实际的峰值漏极电流（IP）和编程流限（ILIMITEXT）。

当IP/ILIMITEXT降到55%以下时，峰值漏极电流将保持不变，控制器进入变频PWM模式，开关频率会随着负载的下降而降到30kHz。开关频率降到30kHz后会保持不变，控制器会使峰值漏极电流降低，以调整输出（低频PWM模式）。随着负载持续下降、IP/ILIMITEXT达到25%，控制器进入多周期调制模式，这种模式能够实现较高的轻载（如待机状态）效率以及较低的空载功耗。

电容C6用于去耦，C5和R6用于设定自动重启动定时和提供控制环路补偿。VR1、R9、C3、R8和D5组成箝位网络，在MOSFET关断后限制U1的漏极电压。选择一个快速恢复二极管作为D5，能够回收部分箝位能量，以提高轻载效率和降低空载功耗。R8用于限制反向二极管电流和衰减高频率振铃。当C3的电压低于150V时，VR1能有效降低空载损耗（断开R9的连接）。空载状况下，偏置绕组提供给光耦器U5的电压约为8.5V，供给U1的电压也降低了，从而使U1进入多周期调制模式。光耦器的电流发生改变时，C引脚的输入电流会随之改变，从而改变占空比、调整输出电压。

基于TOP255PN设计的20W电源具有如下特征：

1、空载功耗极低：输入为230VAC时低于100mW

2、平均效率高：输入分别为115VAC、230VAC时的平均效率分别为85%、86%，超过了能源之星2.0的效率要求（81%）

3、输入为115VAC或230VAC时，可用待机输出功率高

（1）输入功率为1.0W时，待机输出功率为0.75W

（2）输入功率为0.5W时，待机输出功率为0.35W

（3）输入功率为0.3W时，待机输出功率为0.2W

4、线电压检测

（1）线电压前馈可有效抑制线电压纹波

（2）智能的输入欠压保护（UVLO，可自动重启）

（3）过压关断提高了对输入浪涌的耐受力

5、不需要散热片

6、迟滞过热和输出短路保护

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