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,該系列產品包括TNY264P/G、TNY266P/G、TNY267P/G、TNY268P/G,共8種型號。TinySwitch-II是TinySwitch的改進產品,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,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開路等故障情況下的輸出功率限制在安全范圍內,既限制了短路輸出電流也保護了負載,同時減少了元件數,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。與傳統的PWM控制器不同,它使用一簡單的開/關控制器穩定輸出電壓。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,同時確定適當的極限電流閾值。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,在輕負載狀態下,當開關頻率有可能進入音頻范圍內時,流限狀態調節器以非連續方式降低流限,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。
當發生輸出過載、輸出短路或開環故障時,TinySwitch-II能自動重啟動,直至排除故障后轉入正常工作狀態。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,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。輸出電壓值由光耦中的 LED正向壓降(UF≈1V)和穩壓管" title="穩壓管">穩壓管VR1的穩壓值(UZ=3.9V)共同設定,即U=UF+UZ≈5V。電阻R8維持流經穩壓管的偏置電流,以確保VR1的穩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控制環路。電阻R6用于確保輸出電壓降至零伏時控制環路仍保持工作。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,多余的電流由片內的穩壓管安全地箝位在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用以給穩壓管提供偏置電流。由于TinySwitch-II限制了光耦LED電流的動態范圍,使穩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:機械工業出版社,2003