TinySwitch-II及其在小功率开关电源中的应用

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 TinySwitch-II系列是美国Power Integrations公司继TinySwitch之后,最新推出的第二代增强型高效小功率隔离式开关电源用芯片,该系列产品包括TNY264P/G、TNY266P/G、TNY267P/G、TNY268P/G,共8种型号。TinySwitch-II是TinySwitch的改进产品,用它构成的电源,成本比RCC、分立元件PWM和其它集成/混合式电源低且体积小、效率高、可靠性高,特别适合于要求低成本、高效率的应用场合,如移动电话充电器、PC机及电视机待机电源以及AC适配器、设备控制和网络终端等电源中。

1 TinySwitch-II的性能特点

  TinySwitch-II和TinySwitch一样具有简单的拓扑电路,但最大输出功率由10W提高到23W。TinySwitch-II不仅象TinySwitch一样将700V功率MOSFET、振荡器、高压开关电流源、流限和热关断电路集成到了单片器件内,由漏极电压提供启动和工作能量,无需变压器偏置绕组及相关电路,而且还在器件内引进了自动重启动、输入欠压检测和频率抖动等功能。这种设计有效地消除了音频噪声。全集成的自动重启动电路将输出短路或控制环开路等故障情况下的输出功率限制在安全范围内,既限制了短路输出电流也保护了负载,同时减少了元件数,降低了次级反馈电路的成本。线路欠压门限可用一只检测电阻由外部设定,从而消除了待机电源等应用中因输入能量的存储电容缓慢放电而产生的电源掉电故障。开关频率从44kHz提高到132kHz,允许使用低价格、小尺寸的EF12.6或EE13型磁芯,从而减小了高频变压器的体积、提高了电源效率,同时它的132kHz的工作频率是抖动的,可以显著降低准峰值和平均EMI,从而使得滤波成本最低。另外,它还具有极高的能效和可靠性。

2 工作原理

  图1为TinySwitch-II的功能框图。它内部集成了一个耐压为700V的功率MOSFET和一个开/关控制器。与传统的PWM控制器不同,它使用一简单的开/关控制器稳定输出电压。振荡器的频率为132kHz,振荡器中增加了频率抖动电路,抖动量为±4kHz,该功能使EMI的均值和准峰值噪声均较低。

 

 

 

  TinySwitch-II通常是工作在极限电流的模式下。启动时,它在每个时钟周期的起始取样EN/UV引脚信号,然后根据取样结果决定是否跳过周期或跳过多少个周期,同时确定适当的极限电流阈值。当漏极电流ID逐渐升高并达到ILIMIT值或占空比达到最大值Dmax时,使功率MOSFET关断。满载时TinySwitch-II在大部分周期内导通;中等负载时则要跳过一部分周期并开始降低ILIMIT值,以维持输出电压稳定;轻载或空载时,则几乎要跳过所有周期并且进一步降低ILIMIT值,使功率MOSFET仅在很少时间内导通,以维持电源正常工作所必需的能量。这在本质上是引入了PFM调制的原理。另外,在轻负载状态下,当开关频率有可能进入音频范围内时,流限状态调节器以非连续方式降低流限,较低的流限值使得开关频率保持在音频以上,降低了变压器的磁通密度从而减轻了音频噪声。

  EN/UV引脚的使能电路包含一个输出设定为1.0V的低阻抗源级跟随电路,流经该电路的电流被限制为240μA,当流出此引脚的电流超过240μA时,使能电路的输出端会产生逻辑低电平(禁止)。连接在直流电源和EN/UV引脚间的外接电阻可用于监测直流输入电压,当输入电压低于设定值时,欠压检测电路就将旁路端电压UBP从正常值5.8V降至4.8V,强迫功率MOSFET关断,起到保护作用。当MOSFET关断时,5.8V稳压器通过漏极电压抽取电流将旁路引脚上连接的旁路电容充电至5.8V;当MOSFET导通时,TinySwitch-II消耗存储在旁路电容中的能量。另外,TinySwitch-II中还有一个6.3V的电压箝位电路,当电流经外部电阻注入旁路引脚时,箝位电路将旁路引脚电压箝位在6.3V,这样能方便通过偏置绕组对TinySwitch-II外部供电,将空载功耗降至约50mW。

  当发生输出过载、输出短路或开环故障时,TinySwitch-II能自动重启动,直至排除故障后转入正常工作状态。极限电流检测电路用来检测功率MOSFET的漏极电流是否达到极限值,在每个开关周期内,当电流达到极限电流ILIMIT时,功率MOSFET就在此周期的剩余时间内关断。TinySwitch-II的旁路引脚上仅需0.1μF的电容,由于电容小,充电时间极短,一般为0.6ms,因此上电过程迅速且电源输出无过冲。当EN/UV引脚和直流输入的正极间接了外部电阻(2MΩ)时,上电期间功率MOSFET的开关将被延迟到直流电压超过门限值(100V)以后。断电时,如果使用了外接电阻,功率MOSFET在输出失调后仍将继续开关50ms,该特性在用作待机电源时,使待机电源具有缓慢关断的特性。

3 TinySwitch-II在小功率电源中的应用

3.1 2.5W移动电话充电器

  图2是一个基于TNY264的5V、0.5A的移动电话充电器电路,交流输入电压为85~265V。图中电感L1和C1、C2一起形成一个滤波器。电阻R1为L1的阻尼电阻,用于衰减电感L1的谐振。TinySwitch-II的频率抖动使其用这个简单的滤波器和一个低值电容(C8)就能符合全球各种EMI标准;加上变压器内的屏蔽绕组,甚至输出端容性负载接地(这是EMI的最坏条件)时也能满足EMI的要求。二极管D6、电容C3和电阻R2形成箝位电路,将TinySwitch-II漏极引脚的漏感关断电压尖峰限制在安全范围内。输出电压值由光耦中的 LED正向压降(UF≈1V)和稳压管VR1的稳压值(UZ=3.9V)共同设定,即U=UF+UZ≈5V。电阻R8维持流经稳压管的偏置电流,以确保VR1的稳定电流接近于典型值。晶体管Q1的VBE构成简单的恒流源电路,用以检测电流检测电阻R4两端的电压,当R4上的压降大于VBE时,晶体管Q1导通并驱动光耦LED控制环路。电阻R6用于确保输出电压降至零伏时控制环路仍保持工作。输出短路时,R4和R6上的压降(约1.2V)足以保持Q1和LED电路工作。在输出短路情况下,由于R4和R6上的压降,Q1可能通过VR1抽取前向电流,电阻R7和R9可以限制这一电流。二次侧电压经D5、C5、L2和C6整流滤波后,获得+5V输出电压。

 

 

 

3.2 PC机用15W待机电源

  图3是一基于TNY267P的功率为15W的PC机待机电源电路,该电路提供两路输出:5V、3A主输出和12V、20mA辅输出。直流输入电压范围为140~375V,相当于交流230V或110/115V倍压输入。132kHz的工作频率使得变压器磁芯可用EE22型,线路检测电阻R2和R3检测直流输入电压是否出现欠压。R2和R3组合的阻值为4MΩ,将上电时的欠压门限设为直流200V。而一旦开启电源,只要整流直流输入电压高于140V,它都将继续工作,直到降到低于140V才关机,这种设计方案可为待机电源提供所需的保持时间。辅助输出的12V电压供电源初级控制器使用,另外,此电压还用于通过R4向TinySwitch-II供电。从外部向TinySwitch-II供电(尽管不是必需),由于不再使用内部漏级驱动电流向旁路引脚电容C3充电,从而能降低器件的静态功耗。R4阻值为10kΩ,为旁路引脚提供600μA电流,比TinySwitch-II消耗的电流略大,多余的电流由片内的稳压管安全地箝位在6.3V。次级绕组由D3和C6、C7、L1、C8整流和滤波,由于自动重启功能限制短路输出电流,因而无需使用电流更大的D3。光耦U2和VR1用于5V的输出检测,R5用以给稳压管提供偏置电流。由于TinySwitch-II限制了光耦LED电流的动态范围,使稳压管能以接近恒定的偏置电流工作,因而得以提供一般所需要的精度(大约±3%)。该电源效率高于78%。