摘? 要: 分析了TinySwitch-II的工作原理及其主要性能特點,敘述了它在構成小功率開關電源" title="開關電源">開關電源時的低成本、高可靠性和高效率等優(yōu)點,并討論了其在移動電話充電器和PC機待機電源中的應用。
關鍵詞: TinySwitch-II? 開關電源? 充電器? 待機電源
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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電源用芯片,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,用它構成的電源,成本比RCC、分立元件PWM和其它集成/混合式電源低且體積小、效率高,、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以及AC適配器,、設備控制和網(wǎng)絡終端等電源中。
1 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、高壓開關電流源,、流限和熱關斷" title="關斷">關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,無需變壓器偏置繞組及相關電路,而且還在器件內(nèi)引進了自動重啟動,、輸入欠壓" title="欠壓">欠壓檢測和頻率抖動等功能。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由外部設定,從而消除了待機電源等應用中因輸入能量的存儲電容緩慢放電而產(chǎn)生的電源掉電故障。開關頻率從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,從而使得濾波成本最低。另外,它還具有極高的能效和可靠性,。
2 工作原理
圖1為TinySwitch-II的功能框圖,。它內(nèi)部集成了一個耐壓為700V的功率MOSFET和一個開/關控制器。與傳統(tǒng)的PWM控制器不同,它使用一簡單的開/關控制器穩(wěn)定輸出電壓,。振蕩器的頻率為132kHz,振蕩器中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取樣EN/UV引腳信號,然后根據(jù)取樣結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Dmax時,使功率MOSFET關斷,。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僅在很少時間內(nèi)導通,以維持電源正常工作所必需的能量。這在本質上是引入了PFM調制的原理,。另外,在輕負載狀態(tài)下,當開關頻率有可能進入音頻范圍內(nèi)時,流限狀態(tài)調節(jié)器以非連續(xù)方式降低流限,較低的流限值使得開關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為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)生邏輯低電平(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" title="輸入電壓">輸入電壓,當輸入電壓低于設定值時,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關斷,起到保護作用,。當MOSFET關斷時,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的電壓箝位電路,當電流經(jīng)外部電阻注入旁路引腳時,箝位電路將旁路引腳電壓箝位在6.3V,這樣能方便通過偏置繞組對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在輸出失調后仍將繼續(xù)開關50ms,該特性在用作待機電源時,使待機電源具有緩慢關斷的特性,。
3 TinySwitch-II在小功率電源中的應用
3.1 2.5W移動電話充電器
圖2是一個基于TNY264的5V、0.5A的移動電話充電器電路,交流輸入電壓為85～265V,。圖中電感L1和C1,、C2一起形成一個濾波器。電阻R1為L1的阻尼電阻,用于衰減電感L1的諧振,。TinySwitch-II的頻率抖動使其用這個簡單的濾波器和一個低值電容(C8)就能符合全球各種EMI標準;加上變壓器內(nèi)的屏蔽繞組,甚至輸出端容性負載接地(這是EMI的最壞條件)時也能滿足EMI的要求,。二極管D6、電容C3和電阻R2形成箝位電路,將TinySwitch-II漏極引腳的漏感關斷電壓尖峰限制在安全范圍內(nèi),。輸出電壓值由光耦中的 LED正向壓降(UF≈1V)和穩(wěn)壓管" title="穩(wěn)壓管">穩(wěn)壓管VR1的穩(wěn)壓值(UZ=3.9V)共同設定,即U=UF+UZ≈5V,。電阻R8維持流經(jīng)穩(wěn)壓管的偏置電流,以確保VR1的穩(wěn)定電流接近于典型值。晶體管Q1的VBE構成簡單的恒流源電路,用以檢測電流檢測電阻R4兩端的電壓,當R4上的壓降大于VBE時,晶體管Q1導通并驅動光耦LED控制環(huán)路,。電阻R6用于確保輸出電壓降至零伏時控制環(huán)路仍保持工作,。輸出短路時,R4和R6上的壓降(約1.2V)足以保持Q1和LED電路工作。在輸出短路情況下,由于R4和R6上的壓降,Q1可能通過VR1抽取前向電流,電阻R7和R9可以限制這一電流,。二次側電壓經(jīng)D5,、C5,、L2和C6整流濾波后,獲得+5V輸出電壓,。
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3.2 PC機用15W待機電源
圖3是一基于TNY267P的功率為15W的PC機待機電源電路,該電路提供兩路輸出:5V、3A主輸出和12V,、20mA輔輸出,。直流輸入電壓范圍為140~375V,相當于交流230V或110/115V倍壓輸入。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直流200V,。而一旦開啟電源,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才關機,這種設計方案可為待機電源提供所需的保持時間。輔助輸出的12V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(盡管不是必需),由于不再使用內(nèi)部漏級驅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消耗的電流略大,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,、C7,、L1、C8整流和濾波,由于自動重啟功能限制短路輸出電流,因而無需使用電流更大的D3,。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)壓管能以接近恒定的偏置電流工作,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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參考文獻
1 Power Integrations. Power Integrated Circuit Data Book.INC, 2001
2 TNY264/266-268增強型高效小功率離線式開關電源用晶片. Power Integrations. INC, 2001
3 沙占友.單片開關電源最新應用技術. 北京:機械工業(yè)出版社,2003