TOP227Y开关电源驱动恒压/恒流式LED

TOP227Y属于TOPSwitch-Ⅱ系列，是新型、高效、低成本的电源芯片。电源常用于笔记本电脑、电视机、DVD和VCD、录像机等。

1.TOP227Y的性能特点

1）将脉宽调制（PWM）控制系统的全部功能集成到三端芯片中，内含脉宽调制电路、功率开关场效应晶体管（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，实现了开关电源单片集成化，使用安全可靠。在电路结构上由于采用COMS电路，使电源功耗显著降低。它不需要接大功率过电流检测电阻和功率驱动电路，外部也不必提供启动时的偏置电流。

2）单片三端开关电源属于漏极开路输出并且利用电流来线性调节占空比的AC/DC电源转换器，即电流控制型开关电源，控制方式简便，调节灵活。

3）输入交流电压和频率范围极宽。作固定电压输入时可选110/230V交流电，允许变化±15%；在宽范围输入电压时，适配85～265V全球通用电源。电源的频率范围是47～440Hz，其电压调整率S_V=±0.7%，负载调整率S_I=±1.1%。若采用光耦合器和精密稳压源TL431构成外部误差放大器，则S_V、S_I可以达到±0.2%，电源品质得到了进一步提高。

4）TOP227只有3个引出脚，可以同三端线性集成稳压器的外貌相媲美，能以最简单的结构方式构成无工频变压器的反激式开关电源。这种电路能完成多种控制、偏置及保护功能。它的输出控制端属于多功能引出端，实现一脚多用。它在连续和不连续两种不同模式下都有应用的价值，能构成大小功率各异的、用途广泛的各种普通型或精密型开关电源。

5）外围电路简单，所用元器件很少，成本较低。外部仅接低通滤波器、整流滤波器、高频变压器、反馈电路和输出整流电路。开关电源的工作频率一般为100kHz，可在80～120kHz范围内正常工作；占空比调节范围是1.7%～67%，比一般反激式开关电源的占空比大许多。

6）电源效率高。三端开关电源将很多功能集成在一起，功能多，功耗低，电源效率可达到90%，被誉为节能电源；具有保护功能，实现无工频变压器隔离安全电源；电源稳定性好、纹波电压低、体积小是这种电源最特殊的特点。

7）采用TOP227Y制作的开关电源能降低电磁干扰（EMI）。同时，对电网的传导噪声干扰有一定的防护能力和抑制能力。芯片的工作温度是0～70℃。

2.恒流恒压LED驱动工作原理

图4-18所示为恒流、恒压LED驱动电源的原理图。它采用一片TOP227Y型单片开关电源（IC₁），配TL431A精密稳压源及PC817A型线性光耦合器（IC₂）。230V交流输入电压经由C₁～C₃、L₁组成的EMI低通滤波器、整流桥UR和输入滤波电容C₄得到大约为325V的脉动直流高压V₁，再通过一次绕组接到TOP227Y的漏极。R₂是电容C₄的泄放电阻，防止电路在断电瞬间电容C₄的高压对IC₁造成冲击，C₄中所储存的电量对电路测量维修不利。在交流电进入电路前由EMI低通滤波，以防止20MHz次下的电磁干扰和电源进线的传导干扰。RT是热敏电阻，超过温保护的作用，RT的选用非常重要，否则将使功耗增加，RT的作用使C₃、C₁₅在放电时将电量旁路，避免L、N进线带电。IC₁在高频工作期间，高频变压器一次绕组因漏感会产生尖峰电压，利用VD₁、R₃、C₅组成尖峰电压钳位电路，它与VS₁～VS₃一起，对MOSFET开关管电压VD_S进行分压钳位，以保护IC₁不受损坏。二次绕组电压经VD₂、VD₃整流C₁₀滤波后，再通过L₂、C₉滤波后，获得7.5V直流电压输出，VD₂、VD₃是一只共阴极的肖特基二极管，反向恢复时间只有10ns。反馈绕组的输出电压经VD₄、C₇整流滤波后得到25V的反馈电压，经R₅限流为光耦合器IC₂的光敏晶体管提供电源。C₆是旁路电容，与R₆一起兼作频率补偿并决定自动重启频率，R₆又为反馈绕组的假负载，限制反馈电压的升高。

TOP227Y电路有两个控制环路：电压控制环路和电流控制环路。电压控制环路由VS₄和IC₂组成。它的作用是：当输出电流较小时，电路控制在恒压输出模式，这时稳压二极管VS₄有电流通过，输出电压由稳压二极管的稳压值和光耦合器中的发光二极管正向压降所决定。电流控制环则由VT₁、VT₂、电流检测电阻R₁₁、光耦合器IC₂、电阻R₉、R₇、R₈、R₁₂和电容C₁₀组成。图中R₁₁检测输出电流值。R₇、R₈分别用来设置VT₁、VT₂的集电极电流值。R₇决定电流控制环的直流放大倍数。C₁₀是频率补偿电容，防止产生自激振荡。在启动时，瞬态峰值电压使VT₂导通，R₁₂对发射极电流进行限制。R₉的作用是将VT₂的导通电流经VT₁旁路掉，使电流不经过R₁₀进入IC₂的发光二极管。电流控制环的工作过程是：当输出电流I_o接近1A电流时，V_R4↑→VT₂导通→V_R8↑→VT₁导通→I_C1↑，使光耦合器发光二极管亮度增加，迫使占空比D下降，促使输出电压V_o下降。由于V_o的下降V_DZ1不被击穿，它没有电流通过，因此，这时电压控制环开路，LED驱动电源转入恒流模式。

图4-18 恒流恒压LED驱动TOP227Y开关电源原理图

该电源既可以工作在7.5V的稳压输出状态，又能在1A受控电流下工作，恒流输出的准确率为5%。当输入电压从85～265V时，交流输出电压变化很小，当输出电流I_o=0.98A时，电流控制环不起作用，但一次电流仍受TOP227Y的最大电流的限制，这时V_R8上升，通过VT₂、VT₁使光耦合器电流快速下降，迫使TOP227Y进入自动重启状态。这说明，当电流控制环失控时，电路会立即从恒流模式转入自动重启状态，将输出电流I_o拉下来，起着过电流保护的作用。

电源所接的LED驱动负载为4组灯串（每组3只LED），其4组灯串总电流为250mA×4=1000mA，灯串并联两端的电压为2.5V×3=7.5V，与输出电路负载相配备。

3.TOP227Y恒功率电路设计

（1）电流控制回路设计

电流控制回路由VT₁、VT₂、R₁₀、R₁₁、R₉、R₈、R₁₂、C₁₀和IC₂等组成。下面将介绍输出电流的期望值。R₁₂是VT₂的基极偏置电阻，因基极电流很小，而R₁₁上的电流很大，所以VT₂的发射极压降V_BE2全部落在R₁₁上。

设V_BE2=0.7V，当室温上升20℃时，温度系数α_t=-2.1mV/℃，则

恒流的准确度为

计算结果与设计指标相吻合。

（2）电压控制回路设计

恒压输出电压由下式确定：

V_o=V_Z1+V_F+V_R10=V_Z1+V_F+I_R10·R₁₀

式中，V_Z1=6.2V，V_F=1.2V。令R₁₀上的电流为I_R10，VT₁集电极上的电流为I_C1，光耦合器上的电流为I_F，显然I_R10=I_C1=I_F。这3个参量随输入电压（V₁）、输出电流I_o以及电流传输比（CTR）的变化而变化。TOP227Y的控制电流I_C的变化范围从2.5mA（对应于最大占空比D_max）到6.5mA（对应于最小占空比D_min），现取中间值I_C=4.5mA，则有

现取CTR=120%～160%的中间值140%。将I_C=4.5mA，CTR=140%代入上式，得到I_R11=4.5mA/1.4=3.21mA。令R₁₀=39Ω，则V_R10=3.21×10^-3A×39Ω=0.125V。所以输出电压

V_o=V_Z1+V_F+V_R10=6.2V+1.2V+0.125V=7.525V≈7.53V

（3）反馈电压的计算

反馈电压的计算包括两个内容：①在恒流模式下计算反馈绕组的匝数N_F。要在恒流模式下计算反馈绕组的匝数，是因为在恒流时，输出电压V_o和反馈电压V_FB都在快速降低。V_o仅为2V，只有V_FB足够高时，才能进入恒流区正常工作。②在恒流模式下，计算反馈电压V_FB。当V_o=7.5V时，V_FB也会达到最大值，只有算出V_FB值，才能为选择光耦合器的耐压值提供依据。反馈电压由下式计算：

式中，V_F4和V_F3分别为VD₄和VD₃的正向导通电压降，N_S为二次绕组的匝数。由上式可推导出：

在恒流模式下，当负载加重（即负载电阻减小）时，V_o和V_FB会自动降低，以维持恒流输出。为了使开关电源从恒流模式转换到自动重新启动状态，能给TOP227Y提供合适的偏压，要求V_FB至少比恒流模式下控制电压的最大值高出3V。假设V_F=9V，V_o=V_omin=2V，V_F4=0.6V，V_F3=1V，R₁₁=0.68Ω，N_S=12匝，代入上式，计算出反馈绕组匝数N_F：

在恒流模式下，V_o=7.5V，最大输出电流I_o=1.03A代入上述公式求出V_FB：

这就是反馈电压的额定值，选择光耦合器时，光敏晶体管的反向击穿电压必须大于20.0V，图4-18中所用的PC817A的反向击穿电压为35V，完全满足需要，是安全的。该电路在恒功率失调情况下，还设计有精密稳压负反馈控制的脉宽平衡调制系统，为确保LED驱动安全又设置了一道安全屏障。下面计算输出反馈电阻R₁₆：反馈电流I_F=V_REF/R₁₅=2.5V/5×10³Ω=500μA

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电路图中的R₁₅、R₁₆及R₁₁选用精密金属膜电阻。

4.TOP227Y的内部结构

TOP227Y属于TOPSwitch-D系列产品，它的内部电路框图如图4-19所示。

该电路主要包括以下几部分：控制电压源、带隙基准电压源、高压电流源、振荡器、并联调整器/误差放大器、脉宽调制（PWM）比较器、过电流保护电路、过热保护及上电复位电路、关断/自动启动电路、门驱动级和输出级。图中Z_C为控制端的动态阻抗，R_FB是误差电压检测电阻，R_A与C_A构成截止频率为7kHz的低通滤波器。TOP227Y的基本工作原理是利用反馈电流I_FB来调节占空比D，达到稳压的目的。下面分别介绍各单元电路的工作原理。

（1）控制电压源

从图4-19可知，控制电压V_C向并联调整器和门驱动级提供偏置电压，而它的控制电流I_C则对占空比起调节作用。在CS极间接一只47μF的补偿电容C₆可为门驱动级供给直流电，并且由它决定自动启动频率和启动时间，同时控制环路进行电流补偿。V_C有两种工作模式：一种是滞后控制，用于电路启动和输出过载两种情况，它的控制形式是延时控制；另一种是并联调节，都是用于分离误差信号与控制的高压电流源。自动启动电路中的比较器具有滞后特性，通过控制高压电流源的通断使V_C在4.7～5.7V范围内。电路刚启动时，由高压电流源提供控制电流I_C对C_T（在芯片外部，图4-19中未画出）充电。当控制电压V_C达到5.7V时，高压电流源被关闭，脉宽调制器和功率MOS管开始工作，控制电流I_C改为向反馈电路提供电流。动态电阻Z_C与外部阻容元件共同决定电路控制环路的运行状况和补偿特性。

（2）带隙基准电压源

带隙基准电压源除向内部各回路提供基准电压之外，还产生一个具有温度补偿作用并可调整的电流源，用来精确设定振荡频率和门驱动级的电流。

图4-19 TOP227Y的内部电路框图

（3）高压电流源

电路在启动或滞后调节模式下，高压电流源经过电子开关S给内部电路提供偏置电压，并且对C_T进行充电。电源正常工作时，S改接内部电源，将高压电流源关断。

（4）振荡器

单片内部振荡电容在所设定的上、下阈值电压V_H、V_L之间保证周期性的线性充、放电时间，便产生了受到控制的脉宽调制所需要的锯齿波；与此同时，还产生最大占空比信号（D_max）和时钟信号（CLOCK）。为防止电磁干扰，提高电源效率，振荡频率（即开关频率）设计为100kHz，通过调节基准电流可控制开关高频率的准确度。需要指出，对于TOP227Y系列而言，定义漏极脉宽调制信号中的开通电平时间t与周期T的百分比为占空比D，即。其最小典型值D_min=1.7%，最大典型值D_max=67%，在这个范围内，占空比D是成线性调制的。

（5）并联调整器/误差放大器

并联调整器的作用是，当加到控制端的反馈电流超过设定电流值时，就通过并联调整器进行分流，确保控制电压不超过5.7V。误差放大器的增益由控制端的动态电阻Z_C来设定。Z_C的变化范围是10～20Ω，典型值为15Ω。误差放大器的同相输入端接5.7V基准电压，作为参考电压；输出端接一只P沟道场效应晶体管，起缓冲放大作用。控制电压V_C经过Z_C、P沟道场效应晶体管和电阻R_FB分压后，获得反馈电压V_FB并加至误差放大器的反相输入端。误差放大器对反馈电压V_FB与5.7V基准电压进行比较之后，输出误差电流I_r。I_r流过电阻R_FB时，就在其上形成了误差电压V_r，V_r去调节脉冲占空比。控制电流I_C可以直接从反馈电路上获取电压并接到光耦合反馈电路上，由光耦合器输出，取得控制电流并实现光隔离的技术要求，还能提高电路的控制灵敏度。

（6）脉宽调制器

脉宽调制器是开关电源中最基础、最重要的技术之一，TOP227Y采用电流控制反馈式控制方式。它具有以下两层含义：

第一，通过改变控制电流I_C的大小，能连续调节脉冲占空比，实现脉宽调制（PWM）。D与I_C呈线性关系，特性曲线如图4-20所示。从图4-20中可以清楚地看出：控制电流I_C在2.0～6.0mA范围内，与D呈反比线性关系，当I_C增大时D减小，反之当I_C减小时D增大。比例系数就是曲线的斜率，也是脉宽调制器的增益，K=-16%/mA，因此占空比由下式确定：

D=KI_C=-（16%/mA）I_C

式中的负号表示反比。

图4-20 占空比与控制电流的关系

最大占空比信号（D_max）直接加到主控门YF的第一个输入端。

第二，误差放大器输出电压V_r经R_A、C_A组成的截止频率为7kHz的低通滤波器处理后，去掉开关噪声电压并加到PWM比较器的同相输入端，再与锯齿波电压V_j进行比较，产生脉宽调制信号V_PWM。V_PWM通过与门Y₁、或门H之后，可将八D触发器Ⅰ置零，使Q=0，把MOSFET关断；而时钟信号再把八D触发器Ⅰ置位，使Q=1，又使MOSFET导通，从而实现了脉宽调制信号和时钟信号的相互作用，促使PWM功能转换输出。在这里，时钟信号在转换过程中起到同步的作用。

由此可知，控制端电压V_C用来提供偏压，控制端电流I_C则用于调节占空比，依此来调节输出脉冲宽度。TOP227Y是电流控制型PWM开关电源，采用固定开关频率（100kHz）而占空比可调的工作方式。这种工作方式调制灵活，占空比调节范围大，使得输入交流电压在宽带变化的条件之下，而输出电压依然恒定。

（7）过电流保护电路

该电路利用MOSFET的漏—源导通电阻R_DS（ON）来代替外部过电流检测电阻R_S。当输出电流I_o越值（即MOSFET的导通电压大于阈值电压）时，片内比较器就发生翻转，输出信号变成高电压。此电压经过与门Y₁、或门H将八D触发器Ⅰ置零，使MOSFET关断，起到过电流保护作用。TOP221Y～TOP227Y的结构设计可以不用外部大功率过电流检测电阻，这样既省掉了外围元器件，又降低了电源功耗。另外，还对反相输入端极限电压采取了温度补偿措施，以消除因R_DS（ON）随温度变化而引起I_D的波动。TOPSwitch-Ⅱ的极限电流典型值、最小值和最大值见表4-2。

表4-2 TOPSwitch-Ⅱ的极限电流典型值、最小值和最大值

每一种开关电源设计，都要限制最大输出功率P_om（P_om=I_omV_o），为的是保证电源长期使用安全。

举例来说，对于TOP224P，I_LIMIT=1.50A，在85～265V宽交流电压范围内，P_om=20W。此时选出15V/1.33A或者10V/2A，最大输出功率均为20W，而后者I_om＞I_LIMIT。2A的输出电流是不能接受的。

此外，芯片还具有初始输入电流限制功能。刚通电时，应将整流后的直流电流限制在0.6I_LIMIT。利用前沿闭锁电路的作用，在MOSFET刚导通时，将电流比较输出的上升沿封锁180ns，使输入脉冲得到延缓。这样可以避免一次电感和二次整流管在反向恢复时间未结束时产生峰值电流而导致开关脉冲提前结束，出现非矩形失真。

（8）过热保护电路

TOPSwitch-Ⅱ正常时在110℃以下的温度下工作，如果芯片结温T_j＞135℃时，过热保护电路就输出高电平，将八D触发器Ⅱ置位，Q=1，，主控门关断输出级。此时，V_C进入滞后调节模式，控制电压V_C也变成幅度为4.7～5.7V的锯齿波。若要重新启动电路，需断电后再接通电源上电复位，或者将V_C降至3.3V以下达到V_C（RESET）值，再利用上电复位电路将八D触发器Ⅱ置零，Q=0，，使MOSFET恢复工作。

（9）关断/自动启动电路

芯片的关断/自动启动电路一般处于“休眠”状态，一旦调节失控，关断/自动启动电路立即进入导通状态，芯片在5%占空比下运行，同时切断从外部流入控制端的电流I_C，V_C再次进入滞后调节模式。V_C控制电压也变为具有一定幅值的锯齿波。假如故障已排除，V_C又回到并联调整模式，自动重新启动，电源恢复正常工作。

（10）门驱动级和输出级

门驱动级是该芯片的最后一道工作程序，对决定芯片的放大能力和耐压能力具有重要意义。门驱动级所使用的材料一般是N沟道场效应晶体管。在主控门的控制之下，门驱动级按规定的开关工作频率（100kHz）不使失真地传递脉冲驱动信号。驱动管的漏—源极间导通电阻是决定该芯片的结温和工作效率的重要参数。当V_DS=560V，环境温度T_A=125℃时，驱动MOS管的漏—源极间的导通电阻R_DS（ON）为25.7Ω，关断电流I_DSS为250μA，MOS-FET的漏—源击穿电压V_（BR）DS≥700V，因此TOP227Y系列的使用电压不能超过700V，否则将对电源产生危险。