摘要：根據TNY268P的特性及家用電器控制系統輔助電源的特點,設計了一種通用性強、集成度高的小功率開關電源,并對外圍電路設計和電磁兼容性進行了分析和探討.結果表明,該電源具有外圍電路簡單、可靠性高、成本低等優點.
關鍵詞：開關電源;集成;輔助電源;電磁兼容性
引言
隨著電力電子技術和PWM技術的迅速發展和不斷完善,開關電源以其優越的性價比得到廣泛應用.但是,市場調查和研究分析表明,由于分立式結構、可靠性及成本高等問題,目前小功率開關電源在家電領域的應用仍局限于聲像及變頻技術系列產品.此外,電磁兼容性的問題也是阻礙其應用推廣的主要因素之一.近年來,高度集成的單片式開關電源控制芯片不斷涌現,使上述問題得到了有效解決.本文根據多年的家用電器控制器方面的設計生產經驗,針對冰箱、洗衣機以及空調等家用電器控制系統輔助電源的共同特點,以TNY268P系列單片隔離式智能集成芯片為核心,設計了一種通用性強、易于集成的專用開關電源電路.
1 電源電路設計
1.1 設計技術要求及系統結構
根據對冰箱、空調等系列家用電器控制器輔助電源的特點分析,設計技術指標確定如下:輸入電壓為交流220V±15%,（50±1）Hz;輸出電壓分別為+5V（700mA）和+12V（500mA）;為了提高家用電器控制器濾波效果和電源的可靠性,如需要在輸出端增加三端穩壓器,則實際輸出電壓應為+8V（700mA）和15V（500mA）;輸出電壓的紋波峰峰值UP-P≤1%,其他電氣性能要求滿足相應國家標準.圖1是采用TNY268P系列單片集成開關電源芯片設計的一種單輸入雙輸出的通用開關電源電路,功率變換器拓撲采用易于多路輸出的單端反激式結構,主要包括交流輸入抗電磁干擾（EMI）濾波電路、整流電路、高頻功率變壓器、輸出反饋電路、保護電路以及TNY268P電源芯片.
圖1 開關電源設計原理圖
1.2 TNY268P芯片介紹
TNY268P系列芯片是美國Power Integration公司推出的第2代增強型單片隔離式高效小功率開關電源控制芯片,內部結構如圖2所示.集成了一只700V的功率MOSFET振蕩器、5.8V穩壓電源、高壓開關電流源，以及欠壓、過流及熱關斷保護電路,具有自動重啟動以及頻率抖動等功能。由于漏極電壓直接提供系統啟動和工作所需能量,從而省略了變壓器偏置繞組及相關電路.TNY268P系列芯片的特點不僅有利于簡化外圍電路設計、減少系統的損耗,而且能有效消除音頻噪聲,提高EMI能力,節約電源成本.
TNY268P系列芯片分為DIP-8和SMD-8兩種封裝形式.漏極D連接內部功率MOSFET的漏極,提供啟動和穩態工作時的內部電流;源極S控制電路公共端內部連接MOSFET的源極;內部5.8V的穩壓電源外接0.1μF旁路電容;正常工作時,使能輸入/欠壓檢測端（EN/UV）控制MOSFET開關狀態,當從該端流出的電流>240μA時,MOSFET關斷.同時通過外接檢測電阻檢測輸入電壓條件.
圖2 TNY268P系列芯片內部結構框圖
1.3 外圍電路設計及主要參數計算
TNY268P系列芯片集成度高,內部保護功能較為完善,外圍電路設計比較簡單.它主要包括交流輸入濾波電路、功率變壓器、輸出反饋電路、輸入輸出整流濾波電路以及保護電路的設計計算.
1.3.1 功率變壓器的設計
1）磁芯選擇.高頻變壓器的設計包括功率變壓器的工作模式確定、磁芯尺寸形狀選擇、原/副邊繞組的參數計算及變壓器的繞制等.TinySwitch有連續、不連續和完全不連續3種模式.為了降低電磁干擾,減小輸出濾波電容的容量,本設計選擇不連續工作模式.為了滿足TNY268P芯片132kHz的工作頻率,減小泄漏磁場,選用低成本的EE22型錳鋅鐵氧體磁芯.
2）變壓器參數計算.
①確定最大占空比Dmax
式中,Pomax為總輸出最大功率;η為電源效率;VImin為初級繞組直流輸入電壓的最小值.
②計算KDP
KDP表示TinySwitch的關斷時間與磁芯泄放能量時間的比例系數,其大小決定芯片的工作模式, KDP≥1工作在不連續模式.
式中,VOR為初級感應電壓.
③原副邊繞組的電感量及匝數. 來源:www.tede.cn
式中,fs為開關頻率.
式中,Al為磁芯的電感系數.同理可根據計算公式計算次級主輸出繞組的匝數以及每匝電壓值,以確定其他次級繞組的匝數.
④導線線徑計算.
首先計算電流峰值和有效值,然后選取電流密度為400c.m./A,求出導線的橫截面積;最后根據計算值再重新計算占空比,核算窗口面積是否滿足設計要求.
3）變壓器的繞制技術.
高頻變壓器的繞制是電源設計的關鍵環節.繞制時必須注意初級繞組要繞在最里層且設計成兩層以下,以減小初級繞組的分布電容和產生的電磁干擾,縮短導線的長度.為增強抗EMI的能力,反饋繞組可置于初、次級繞組之間.次級繞組以輸出功率的大小為依據,功率大的靠近初級繞組以減小漏感,如果繞組匝數較少,應使繞組均勻充滿整個骨架.
1.3.2 輔助電路的設計
TNY268P系列芯片的內保護電路比較完善,外部保護電路的設計相對簡單.除了過流保護、EMI濾波器外,主要是保護電路的輸入欠壓檢測電路、散熱設計等.
1）欠壓電路設計
TNY268P內部集成輸入欠壓檢測電路,通過EN/UV端的外接電阻R2和R3監控輸入電壓.當輸入電壓較低或突然降低時,R2和R3檢測電壓值只要低于欠壓閥值電壓（AC170V）,TNY268P自動關斷,以達到保護目的.
2）鉗位保護電路設計
單片式開關電源屬于單管電路,在TNY器件關斷瞬間由變壓器的漏感引起的尖峰電壓較高,將會導致TNY器件的損壞.R1,D5和C5構成的RCD吸收回路使TNY器件的漏極電壓限制在700V以下,防止TNY器件的損壞.另外為有效地降低音頻噪聲,設計時D5選高壓穩壓二極管VDz,C5選壓電效應很小的聚脂薄膜電容;R1取100kΩ～150kΩ.
3）反饋電路設計
由于該電源應用于電器控制系統,所以要求精度和穩定性較好.為滿足設計要求,采用TL431型可調式精密并聯穩壓器,以提高輸出電壓的穩定性.電壓反饋電路應從LC濾波器的前面引出,LC的諧振頻率要高,以濾出開關噪聲電壓.
4）散熱設計
TNY268P芯片屬于DIP-8封裝,無需外接散熱片,靠銅箔接地并起到散熱作用,在PCB設計時需直接焊接在PCB上,并盡量增大敷銅面積,周圍留足夠的散熱空間,必要時在其頂端用膠粘上散熱片,增加散熱效果.除上述所涉及的參數之外,還有輸入、輸出整流濾波電路的設計。
2 電磁兼容性設計
電磁兼容性（EMC）已成為檢驗家電產品質量優劣的重要指標,開關電源工作在高頻開關狀態,其內部電壓及電流的波形都是瞬變的,所產生的干擾主要有尖峰干擾、射頻干擾和音頻噪聲,屬于強噪聲源,且頻率越高噪聲越大.從某種程度上說,電磁兼容性問題成了阻礙開關、電源在家用電器控制系統中推廣應用的主要因素之一.因此,在家用電器控制系統的輔助電源設計中,研究電磁兼容性設計是重要環節.設計過程中還需要從以下幾個方面考慮:
1）電磁干擾抑制.在交流輸入加EMI濾波器,或帶金屬屏蔽外殼EMI濾波器,以避免電磁干擾發射.PCB布局時,EMI濾波器遠離輸出級;PCB板上的相關導線應盡量短而寬,尤其漏極的引線要盡可能短,從而最大限度地減小射頻干擾.
2）瞬態干擾的抑制.瞬態干擾會造成單片開關電源輸出電壓的波動,嚴重時會損壞器件,必須采取措施加以抑制.交流采用三線輸入方式,G端接通大地;在初、次級繞組之間并聯一只安全電容C13,以減小級間耦合;初、次級繞組之間繞3～5層0.05mm厚的聚脂絕緣膠布,降低高頻變壓器的分布電容,減小瞬態峰值電流;提高整流橋耐壓值并適當增加輸入濾波器C1的容量;在交流進線端并聯一只壓敏電阻ZR1對浪涌電壓進行鉗位.
3）音頻噪聲的抑制.音頻噪聲主要由電容和高頻變壓器產生.采用特殊的膠合劑粘接磁芯,降低因磁芯之間產生相對位移而引起的音頻噪聲;選擇磁通密度較低的磁芯,例如將磁通密度從0.3T減小到0.2T時,可使音頻噪聲降低10dB～15dB.
3 結論
結合電器控制系統輔助電源的特點,采用TNY268P設計了雙輸出的單片式開關電源,并給出了設計步驟.本文從高頻變壓器、輔助電路以及電磁兼容性等方面對單片式開關電源進行了分析和工程設計,并在冰箱、洗衣機等電器控制系統進行了多次運行試驗,結果表明,該電源在實際工作中性能穩定、工作可靠,通用性強,抗電磁干擾性能好,成本低、易于集成,能滿足電器控制系統的技術要求.
