TinySwitchⅡ及其在待機電源中的應用 - 全文

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　　1、引言

　　近年來，單片開關(guān)電源以其構(gòu)成電源系統(tǒng)的低成本、高可靠性和設計靈活性等優(yōu)點越來越受到電源設計者的歡迎。TinySwitch-Ⅱ系列是美國Power Integrations公司繼TinySwitch之后，最新推出的第二代增強型高效小功率隔離式開關(guān)電源用集成電路，該系列產(chǎn)品包括TNY264P/G，TNY266P/G，TNY267P/G，TNY268P/G，共8種型號。TinySwitch-Ⅱ是TinySwitch的改進產(chǎn)品，用它構(gòu)成電源系統(tǒng)時，成本比分立元件PWM和其他集成/混合式電源方案低、體積小、效率和可靠性高，特別適合于要求低成本、高效率的應用場合，如移動電話充電器、PC機及電視機待機電源、AC適配器、設備控制和網(wǎng)絡終端等。

　　2、TinySwitch-Ⅱ的性能特點

　　TinySwitch-Ⅱ和TinySwitch一樣具有簡單的拓撲電路，但最大輸出功率由10W提高到23W。TinySwitch-Ⅱ不僅象TinySwitch一樣將700V功率MOSFET，振蕩器，高壓開關(guān)電流源，流限和熱關(guān)斷電路集成到了單片器件內(nèi)，由漏極電壓提供啟動和工作能量，不需要變壓器偏置繞組及相關(guān)電路，而且還在器件內(nèi)結(jié)合了自動重啟動、輸入欠壓檢測和頻率抖動功能。這種設計有效地消除了音頻噪聲。全集成的自動重啟動電路將輸出短路或控制環(huán)開路等故障情況下的輸出功率限制在安全范圍內(nèi)，既限制了短路輸出電流也保護了負載、同時減少了元件數(shù)，降低了次級反饋電路的成本。線路欠壓門限可用一只檢測電阻外部設定，從而消除了在待機電源等應用中，由于輸入存儲電容緩慢放電而產(chǎn)生的電源掉電故障。開關(guān)頻率從44kHz提高到132kHz，允許使用低價格、小尺寸的EF12.6或EE13型磁芯，從而減小了高頻變壓器的體積、提高了電源效率，同時它的132kHz的工作頻率是抖動的，可以顯著降低準峰值和平均EMI，使得濾波成本最低。另外，它有極高的能效和可靠性。

　　3、引腳功能描述

　　如圖1所示，TinySwitch-Ⅱ系列單片開關(guān)電源采用8腳雙列直插式(DIP-8)或表面粘貼式(SMD-8)封裝，其各引腳功能描述如下：

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　　漏極(D)引腳　功率MOSFET的漏極輸出引腳，為啟動和穩(wěn)態(tài)工作提供內(nèi)部工作電流;

　　旁路(BP)引腳　該端與地(S極)之間需接一只0.1μF的旁路電容;

　　使能/欠壓(EN/UV)引腳　此引腳具有輸入使能和輸入欠壓檢測兩個功能，正常工作時，通過此引腳可控制功率MOEFET的通斷(當該腳的電流大于240μA時將功率MOSFET關(guān)斷)，此引腳還通過與輸入直流高電壓相連的外部電阻來檢測欠壓情況，若該引腳沒有與外部電阻相連，則沒有輸入欠壓功能;

　　源極(S)引腳　控制電路的公用點，連接到內(nèi)部MOSFET的源極，4個源極在內(nèi)部是相連通的，它們被劃分成兩組，其中2個S端須接控制電路的公共端，另2個S(HVRTN)端則接高壓返回端，其典型應用電路如圖2所示。

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　　4、工作原理

　　圖3為TinySwitch-Ⅱ的功能框圖。其內(nèi)部集成了一個耐壓為700V的功率MOSFET和一個開/關(guān)控制器。與傳統(tǒng)的PWM控制器不同，它使用一簡單的開/關(guān)控制器來穩(wěn)定輸出電壓。振蕩器的頻率為132kHz，振蕩器中還增加了頻率抖動電路，抖動量為±4kHz，該功能使EMI的均值和準峰值噪聲均較低。

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　　TinySwitch-Ⅱ通常是工作在極限電流的模式下。啟動時，它在每個時鐘周期的起始對EN/UV引腳信號取樣，然后根據(jù)取樣結(jié)果決定是否跳過周期或跳過多少個周期，同時確定適當?shù)臉O限電流閾值。當漏極電流ID逐漸升高并達到ILIMIT值或占空比達到最大值Dmaxx時，使功率MOSFET關(guān)斷。滿載時TinySwitch-Ⅱ在大部分周期內(nèi)導通，中等負載時則要跳過一部分周期并開始降低ILIMIT值，以維持輸出電壓穩(wěn)定，輕載或空載時，則幾乎要跳過所有周期并且進一步降低ILIMIT值，使功率MOSFET僅在很短時間內(nèi)導通，以維持電源正常工作所必需的能量。這本質(zhì)上是引入了PFM調(diào)制的原理。另外，在輕負載狀態(tài)下，當開關(guān)頻率有可能進入音頻范圍內(nèi)時，流限狀態(tài)調(diào)節(jié)器以非連續(xù)方式降低流限，較低的流限值使得開關(guān)頻率保持在音頻以上，降低了變壓器的磁通密度從而減輕了音頻噪聲。

　　EN/UV引腳的使能電路包含一個輸出設定為1.0V的低阻抗源級跟隨電路，流經(jīng)該電路的電流被限制在240μA，當流出此引腳的電流超過240μA時，使能電路的輸出端會產(chǎn)生邏輯低(禁止)。連接在直流電源和EN/UV引腳間的外接電阻可用于監(jiān)測直流輸入電壓，當電壓低于設定值時，欠壓檢測電路就將旁路端電壓UBP從正常值5.8V降至4.8V，強迫功率MOSFET關(guān)斷，起到保護作用;當輸出MOSFET關(guān)斷時，5.8V穩(wěn)壓器通過漏極電壓抽取電流將旁路引腳上連接的旁路電容充電至5.8V，當MOSFET導通時，TinySwitch-Ⅱ消耗存儲在旁路電容中的能量;另外，TinySwitch-Ⅱ中還有一個6.3V并聯(lián)穩(wěn)壓器，當電流經(jīng)外部電阻注入旁路引腳時，穩(wěn)壓器將旁路引腳電壓箝位在6.3V，這樣能方便地通過偏置繞組對TinySwitch-Ⅱ外部供電，將空載功耗降至約50mW。

　　當發(fā)生輸出過載，輸出短路或開環(huán)故障時，TinySwitch-Ⅱ能自動重啟動，直至排除故障后轉(zhuǎn)入正常工作狀態(tài);極限電流檢測電路用來檢測功率MOSFET的漏極電流是否達到極限值，在每個開關(guān)周期內(nèi)當電流達到極限電流ILIMIT時功率MOSFET就在此周期的剩余時間內(nèi)關(guān)斷;TinySwitch-Ⅱ的旁路引腳上僅需0.1μF的電容，由于電容小，充電時間極短，一般為0.6ms，因此上電過程迅速且電源輸出無過沖。當EN/UV引腳和直流輸入的正極間接了外部電阻(2MΩ)時，上電期間功率MOSFET的開關(guān)將被延遲到直流電壓超過門限值(100V)以后。斷電時，如果使用了外接電阻，功率MOSFET在輸出失調(diào)后仍將繼續(xù)開關(guān)50ms，該特性在用做待機電源時，使待機電源具有緩慢關(guān)斷的特性。

　　5、TinySwitch-Ⅱ在待機電源中的應用

　　圖4是一基于TNY267P，功率為15W的PC機待機電源電路，該電路提供兩路輸出：主輸出5V,3A和初級輔輸出12V,20mA。輸入電壓范圍為DC140～375V，132kHz的工作頻率使得變壓器磁芯可用EE22型，線路檢測電阻R2和R3檢測直流輸入電壓是否出現(xiàn)欠壓。R2和R3組合的阻值為4MΩ，將上電時的欠壓門限設為DC 200V，一旦開啟電源，只要整流直流輸入電壓高于140V，它都將繼續(xù)工作，直到降到低于140V才關(guān)機，這種設計方案可為待機電源提供所需的保持時間。輔助初級繞組生成12V輸出電壓供電源初級控制器使用，另外，此電壓還用于通過R4向TinySwitch-Ⅱ供電。從外部向TinySwitch-Ⅱ供電(盡管不是必須)，由于不再使用內(nèi)部漏級驅(qū)動電流向旁路引腳電容C3充電，從而能降低器件的靜態(tài)功耗。R4阻值為10kΩ，為旁路引腳提供600μA電流，比TinySwitch-Ⅱ的電流消耗略大，多余的電流由片內(nèi)的穩(wěn)壓管安全地箝位在6.3V。次級繞組由D3和C6整流濾波，由于自動重啟動功能限制短路輸出電流，因而勿須使用更大的D3，L1和C8實現(xiàn)開關(guān)噪聲濾波。光耦U2和VR1用于5V的輸出檢測，R5用以給穩(wěn)壓管提供偏置電流。由于TinySwitch-Ⅱ限制了光耦LED電流的動態(tài)范圍，使穩(wěn)壓管能以接近恒定偏置電流工作，因而得以提供一般所需要的精度(大約±3%)。該電源效率高于78%。

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　　6、結(jié)語

　　本文通過討論TinySwitch-Ⅱ的工作原理及主要性能特點，表明在小功率開關(guān)電源應用中，它具有元件數(shù)少，成本低，體積小，可靠性和效率高等優(yōu)點，有著廣泛的應用前景。