基于TinySwitch-II的微型開關(guān)電源優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　引言

　　TinySwitch-II系列產(chǎn)品用于23W以下小功率、低成本的高效開關(guān)電源。例如，IC卡付費(fèi)電度表中的小型化開關(guān)電源模塊，手機(jī)電池恒壓／恒流充電器，電源適配器（Powersupplyadapter），微機(jī)、彩電、激光打印機(jī)、錄像機(jī)、攝錄像機(jī)等高檔家用電器中的待機(jī)電源（Standbypowersupply），還適用于ISDN及DSL網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備。

　　使用TinySwitch-II便于實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源的優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于其開關(guān)頻率提高到132kHz，因此高頻變壓器允許采用EE13或EF12.6小型化磁芯，并達(dá)到很高的電源效率。TinySwitch-II具有頻率抖動(dòng)特性，僅用一只電感（在輸出功率小于3W或可接受的較低效率時(shí)，還可用兩個(gè)小電阻）和兩只電容，即可進(jìn)行EMI濾波。即使在短路條件下，也不需要使用大功率整流管。

　　1 TinySwitch-II的典型應(yīng)用

　　1.1 2.5W恒流／恒壓輸出式手機(jī)電池充電器

　　由TNY264（IC1）構(gòu)成的2.5W（5V、0.5A）、交流寬范圍輸入的手機(jī)電池充電器電路，如圖1所示。RF為熔斷電阻器。85V～265V交流電經(jīng)過(guò)VD1～VD4橋式整流，再通過(guò)由電感L1與C1、C2構(gòu)成的π型濾波器，獲得直流高壓UI。R1為L(zhǎng)1的阻尼電阻。利用TNY264的頻率抖動(dòng)特性，允許使用簡(jiǎn)單的濾波器和低價(jià)格的安全電容C8（Y電容）即可滿足抑制初、次級(jí)之間傳導(dǎo)式電磁干擾（EMI）的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。即使發(fā)生輸出端容性負(fù)載接地的最不利情況下，通過(guò)給高頻變壓器增加屏蔽層，仍能有效抑制EMI。由二極管VD6、電容C3和電阻R2構(gòu)成的鉗位保護(hù)電路，能將功率MOSFET關(guān)斷時(shí)加在漏極上的尖峰電壓限制在安全范圍以內(nèi)。當(dāng)輸出電流IO低于500mA時(shí)，電壓控制環(huán)工作，電流控制環(huán)則因晶體管VT截止而不起作用。此時(shí)，輸出電壓UO由光耦合器IC2（LTV817）中LED的正向壓降（UF≈1V）和穩(wěn)壓管VDZ的穩(wěn)壓值（UZ=3.9V）來(lái)共同設(shè)定，即UO=UF＋UZ≈5V。電阻R8給穩(wěn)壓管提供偏置電流，使VDZ的穩(wěn)定電流IZ接近于典型值。次級(jí)電壓經(jīng)VD5、C5、L2和C6整流濾波后，獲得＋5V輸出電壓。

　　TinySwitch-II的開關(guān)頻率較高，在輸出整流管VD5關(guān)斷后的反向恢復(fù)過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生開關(guān)噪聲，容易損壞整流管。雖然在VD5兩端并上由阻容元件串聯(lián)而成的RC吸收電路，能對(duì)開關(guān)噪聲起到一定的抑制作用，但效果仍不理想，況且在電阻上還會(huì)造成功率損耗。解決的辦法是在次級(jí)整流濾波器上串聯(lián)一只磁珠。

　　磁珠（Magneticbead）是近年來(lái)問(wèn)世的一種超小型的非晶合金磁性材料，它與鐵氧體屬兩種材料。市售的磁珠外形與塑封二極管相仿，外形呈管狀，但改用磁性材料封裝，內(nèi)穿一根導(dǎo)線而制成的小電感。常見(jiàn)磁珠的外形尺寸有Φ2.5×3（mm）、Φ2.5×8（mm）、Φ3×5（mm）等多種規(guī)格。供單片開關(guān)電源使用的磁珠，電感量一般為幾至幾十μH。磁珠的直流電阻非常小，一般為0.005Ω～0.01Ω。通常噪聲濾波器只能吸收已發(fā)生了的噪聲，屬于被動(dòng)抑制型；磁珠的作用則不同，它能抑制開關(guān)噪聲的產(chǎn)生，因此屬于主動(dòng)抑制型，這是二者的根本區(qū)別。磁珠可廣泛用于高頻開關(guān)電源、錄像機(jī)、電子測(cè)量?jī)x器、以及各種對(duì)噪聲要求非常嚴(yán)格的電路中。圖1中的濾波電感L2，就選用3.3μH的磁珠，可濾除VD5在反向恢復(fù)過(guò)程中產(chǎn)生的開關(guān)噪聲。

　　由晶體管VT、電流檢測(cè)電阻R4和光耦合器IC2組成電流控制環(huán)。當(dāng)輸出電流IO接近于500mA時(shí)，由于R4上的壓降升高，使晶體管VT的發(fā)射極電壓UBE也隨之升高，VT進(jìn)入放大區(qū)，此時(shí)電流控制環(huán)開始起作用，輸出呈恒流特性。即使輸出端發(fā)生短路故障，使得IO↑，UO→0V，由于電阻R6和R4上的總壓降約為1.2V，仍能維持VT和光耦合器中LED的正常工作。R3為基極限流電阻。

　　1.2 15W的PC機(jī)待機(jī)電源電路

　　一種輸出功率為15W的PC機(jī)待機(jī)電源電路如圖2所示。該電源可提供兩路輸出：主輸出為＋5V、3A；輔助輸出則為＋12V、20mA。總輸出功率為15.24W,電源效率高于78％。電路中采用兩片集成電路：TNY267P型微型單片開關(guān)電源（IC1），SFH615-2型線性光耦合器（IC2）。直流輸入電壓為140V～375V，這對(duì)應(yīng)于交流輸入電壓為230V±15％或者110／115V倍壓輸入的情況。利用TNY267P的欠壓檢測(cè)、自動(dòng)重啟動(dòng)和高頻開關(guān)特性，允許使用體積較小、價(jià)格較低的EE22型高頻變壓器磁芯。TNY267P芯片采用的是DIP-8封裝形式，它能濾除因輸出濾波電容緩慢放電而引起自動(dòng)重啟動(dòng)時(shí)，在輸出電壓波形上形成的毛刺。當(dāng)輸入電壓低于欠壓值時(shí)，TNY267P就自動(dòng)關(guān)斷，起到保護(hù)作用；僅當(dāng)輸入電壓高于欠壓閾值時(shí)才工作。R2、R3為欠壓閾值設(shè)定電阻。二者的總阻值選4MΩ時(shí)，欠壓閾值設(shè)定為直流200V，整流后的直流高壓UI必須高于200V時(shí)，才能開啟電源。而一旦開啟電源，就將持續(xù)工作，直到UI降至140V才關(guān)機(jī)。這種滯后式關(guān)機(jī)的特性，可為待機(jī)電源提供所需的保持（Holdup）時(shí)間。

　　初級(jí)一側(cè)的輔助繞組經(jīng)VD2、C2整流濾波后，獲得＋12V輸出電壓，并通過(guò)R4給TNY267P供電。正常工作時(shí)TNY267P內(nèi)部漏極驅(qū)動(dòng)的電流源也停止對(duì)外部旁路電容充電，以減少其間的靜態(tài)損耗。選R4=10kΩ時(shí)，可為旁路端提供640μA的電流，這略高于TNY267P的損耗電流，超出部分將被芯片內(nèi)部的穩(wěn)壓管鉗位在6.3V的安全電壓上。

　　次級(jí)輸出經(jīng)VD3、C6和C7進(jìn)行整流濾波。L與C8構(gòu)成后級(jí)濾波器，主要用來(lái)濾除開關(guān)噪聲。當(dāng)輸出端短路時(shí)，自動(dòng)重啟動(dòng)電路就限制了輸出電流的增大，并且濾除了對(duì)VD3的過(guò)沖電壓。由光耦合器IC2（SFH615-2）、穩(wěn)壓管VDZ對(duì)5V輸出進(jìn)行檢測(cè)，R5給穩(wěn)壓管提供偏置電流。

　　2 電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)

　　2.1 使用注意事項(xiàng)

　?。?）直流輸入電壓UI的最小值UImin可按90V來(lái)設(shè)計(jì)。輸入寬范圍電壓（85V～265V）時(shí)，輸入級(jí)濾波電容C1的容量可按3μF／W的比例系數(shù)來(lái)選?。焕绠?dāng)輸出功率PO=10W時(shí)，C1=30μF。對(duì)于交流230V±15％固定電壓輸入的情況，比例系數(shù)可取1μF／W。

　?。?）為了降低損耗，提高電源效率，次級(jí)整流管宜采用肖特基勢(shì)壘二極管（SchottkyBarrierDiode，英文縮寫為SBD），簡(jiǎn)稱肖特基二極管。這種管子具有正向壓降低（UF≈0.4V）、功率損耗小、反向恢復(fù)時(shí)間短（trr可小到幾ns）等優(yōu)點(diǎn)，適合用做低壓、大電流整流或續(xù)流。

　　（3）選擇輸出功率較大的TinySwitch-II芯片，有助于提高電源效率。例如在圖2所示的電路中，選擇TNY267時(shí)電源效率的下限值為78％；若采用TNY266、TNY264，就依次降為76％、74％。

　?。?）在特定的應(yīng)用中，TinySwitch-II的最大輸出功率隨熱環(huán)境（包括環(huán)境溫度，散熱條件，通風(fēng)狀況以及電源采用密封式還是敞開式等因素）、高頻變壓器磁芯的尺寸、工作方式的設(shè)計(jì)（連續(xù)模式或不連續(xù)模式）、所需功率、輸入電壓的最小值、輸入級(jí)濾波電容的容量、輸出整流管的正向壓降等條件而變化。

　　（5）TinySwitchII能濾除高頻變壓器產(chǎn)生的音頻噪聲。允許采用普通結(jié)構(gòu)的浸漆變壓器，磁芯之間也可以不用膠粘接。當(dāng)開關(guān)電源隨負(fù)載的減輕而產(chǎn)生音頻干擾時(shí)，TinySwitchII就通過(guò)不連續(xù)地減小極限電流值，以濾除音頻噪聲。

　?。?）圖1中的LTV817型線性光耦合器，可用PC817或PC817A來(lái)代替。它們的技術(shù)參數(shù)基本相同，電流傳輸比CTR=80％～160％，反向擊穿電壓U（BR）CEO≥35V。

　　（7）在圖2所示電路中，待機(jī)電源若選擇TNY266P芯片，輸出功率就降為10W。此時(shí)可選EE16型高頻變壓器磁芯，并且還可以去掉濾波電容C7。

　　2.2 印制板設(shè)計(jì)要點(diǎn)

　　TinySwitch-II芯片的印制板元器件布置圖，如圖3所示，這里未使用欠壓保護(hù)電阻。設(shè)計(jì)印制板時(shí)必須注意以下事項(xiàng)：

　?。?）TinySwitch-II下面的敷銅板不僅作為源極接地點(diǎn)，還起到散熱作用。圖3中陰影區(qū)域面積應(yīng)足夠大，才能保證TinySwitch-II和次級(jí)整流管散熱良好，使芯片的結(jié)溫低于100℃。

　?。?）旁路端電容CBP和輸入濾波電容C1必須采用單點(diǎn)接地法，接至源極端。連接C1、高頻變壓器和TinySwitch-II的初級(jí)回路應(yīng)盡量短捷。

　　（3）初級(jí)鉗位電路用于限制關(guān)斷時(shí)漏極上的峰值電壓。可用R、C、VD型鉗位電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，亦可用200V穩(wěn)壓管或者瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）對(duì)漏極電壓進(jìn)行鉗位。在任何情況下，都要使鉗位元器件到高頻變壓器和TinySwitch-II的距離為最短。

　?。?）若使用欠壓檢測(cè)電阻，應(yīng)使電阻盡可能靠近EN／UV端，以減少感應(yīng)噪聲。還需要考慮欠壓檢測(cè)電阻R2和R3的耐壓值。選擇（1／4）W的電阻時(shí)，一般可承受200V電壓（指連續(xù)加壓，下同）；對(duì)（1／2）W的電阻，耐壓值則為400V。

　?。?）安全電容（Y電容）應(yīng)直接安裝在初級(jí)濾波電容的正極與次級(jí)的公共地（返回端）之間，最大限度地抑制電磁干擾和共模浪涌電壓。

　　（6）光耦合器到TinySwitch-II的EN／UV端和源極的距離應(yīng)最短，以減小噪聲耦合。EN／UV腳到光耦合器的距離應(yīng)小于12.7mm，到漏極的距離則應(yīng)大于5.1mm。

　?。?）為提高穩(wěn)壓性能，連到次級(jí)繞組、次級(jí)整流管、次級(jí)濾波電容的的環(huán)路要盡量短。次級(jí)整流管的焊盤面積須足夠大，以確保在輸出短路的情況下能將整流二極管的熱量及時(shí)散發(fā)掉。