TinySwitch特性及其應(yīng)用TheCharacteristicsandApplicationsofTinySwitch

摘要：介紹應(yīng)用于小功率開(kāi)關(guān)電源的控制器件?TinySwitch的特點(diǎn)，并討論在待機(jī)電源和充電器中的應(yīng)用。

Abstract:ThecharacteristicsofTinyswitchwhichisusedinlowpowerswitch

modepowersupplyareintroducedinthispaper,andapplicationsofTinySwitch

instand－bypowerSupplyandChargeraredwelledon.

關(guān)鍵詞：逐周電流限制跳周期

Keywords:Cyclebycyclecurrentlimited，Jumpcycle

1 引 言

　　中大功率開(kāi)關(guān)電源在市場(chǎng)上占有較大份額，然而小功率開(kāi)關(guān)電源在很多場(chǎng)合，例如在待機(jī)電源中是必不可少的。TinySwitch特別適用于為用戶提供10W以下的隔離型開(kāi)關(guān)電源。

　　十多年以前以為用UC3842和MOSFET制作的分離元件開(kāi)關(guān)電源，線路已較為簡(jiǎn)單，但與其相比，TopSwitch制作的開(kāi)關(guān)電源電路更加簡(jiǎn)單。由于它們同樣是采用固定頻率PWM方式，其開(kāi)關(guān)損耗幾乎與負(fù)載無(wú)關(guān)，導(dǎo)致輕載時(shí)電源效率明顯降低。而采用TinySwitch除電路非常簡(jiǎn)單外，同時(shí)還具有高效率、低成本的顯著特點(diǎn)。

2 Tiny Switch（253/254/255系列）簡(jiǎn)介

　　Tiny Switch把控制IC和功率MOSFET集成在一起，實(shí)際上只需四個(gè)功能引腳。

　　（1）TinySwitch各引腳功能

　　漏極（D）:功率MOSFET漏極，為起動(dòng)和穩(wěn)態(tài)工作提供工作電流。

　　旁路（BP）：內(nèi)接5.8V穩(wěn)壓器，外接濾波電容。正常工作時(shí)，旁路電容在TinySwitch中MOSFET導(dǎo)通期間為控制電路提供能量。

　　使能（EN）：功率MOSFET是否導(dǎo)通控制端。正常工作情況，EN端為高電平時(shí)，MOSFET導(dǎo)通；EN端為低電平時(shí)，MOSFET關(guān)斷。

　　源極（S）：功率MOSFET源極。

　?。?）TinySwitch器件的突出特點(diǎn)

內(nèi)置芯片供電電源，省去外加輔助電源，可使輸出電壓不影響電路工作。

　　控制方式采用逐周電流限制方式，可減小電流紋波。?跳周期?的工作方式通過(guò)改變有效的工作頻率，使開(kāi)關(guān)損耗與負(fù)載呈線性比例，從而使不同負(fù)載情況下，電源均具有較高效率。

　　內(nèi)置過(guò)熱保護(hù)電路之超溫閉鎖功能，確保開(kāi)關(guān)電源安全工作。

3 TinySwitch的特性

　　(1)TinySwitch控制方式

　　TinySwitch功能框圖如圖1所示。

　　芯片正常工作時(shí)，TinySwitch內(nèi)部振蕩器周期性起動(dòng)MOSFET，每個(gè)周期內(nèi)，由限流電路檢測(cè)MOSFET的電流，并將其與門(mén)限值比較，當(dāng)其超過(guò)門(mén)限(ILIMIT）時(shí)，功率MOSFET在此周期剩余時(shí)間內(nèi)關(guān)斷。也就是說(shuō)，當(dāng)TinySwitch正常工作時(shí)，由限流電路對(duì)MOSFET進(jìn)行逐周電流限制，以決定功率MOSFET在每個(gè)周期內(nèi)的最大導(dǎo)通時(shí)間（tmax）。需要注意的問(wèn)題是：MOSFET的電流是否會(huì)在tmax時(shí)間內(nèi)達(dá)到門(mén)限（ILIMIT）呢？這一點(diǎn)只要在電源設(shè)計(jì)時(shí)，選擇的TinySwitch器件在最低的輸入電壓時(shí)滿足功率要求，經(jīng)計(jì)算得出的變壓器初級(jí)電感便可使電流在tmax限制時(shí)間內(nèi)逐漸升至門(mén)限值ILIMIT）。

　　TinySwitch內(nèi)部限流電路的門(mén)限值（ILIMIT）為常數(shù),內(nèi)部振蕩器把MOSFET的開(kāi)關(guān)頻率設(shè)定為常數(shù)，由于TinySwitch的門(mén)限值和頻率均為常數(shù)，利用其進(jìn)行隔離型電源設(shè)計(jì)，次級(jí)的（最大）輸出功率亦為常數(shù)。

　　(2)TinySwitch工作模式

　　反激式開(kāi)關(guān)電源的輸出功率與門(mén)限值、變壓器初級(jí)電感和開(kāi)關(guān)頻率相關(guān)，即

　　那么，輸出功率一定的TinySwitch芯片是如何工作來(lái)滿足不同負(fù)載要求的呢？分析式（1），再結(jié)合芯片特點(diǎn)，即可以得出結(jié)論。由于TinySwitch門(mén)限值和變壓器初級(jí)電感均為常數(shù)，那么若想改變輸出功率P，只能著眼于開(kāi)關(guān)頻率f，TinySwitch采用?跳周期?的工作方式，正是以改變功率MOSFET有效的開(kāi)關(guān)頻率，以實(shí)現(xiàn)不同的功率輸出。

　　在分析TinySwitch是如何?跳周期?時(shí)，先了解一下芯片的EN引腳。參照?qǐng)D1，使能引腳電路中有一個(gè)設(shè)定為1.5V的源極跟隨輸入。輸入電流被10μA滯回的電流源箝位。在振蕩器時(shí)鐘信號(hào)（每個(gè)周期之始）的上升沿，對(duì)使能檢測(cè)電路的輸出取樣，若為高電平，此周期接通功率MOSFET，否則功率MOSFET在相應(yīng)周期保持截止，即跳過(guò)該工作周期，由于對(duì)EN引腳取樣僅在每個(gè)周期之始進(jìn)行一次，周期中使能引腳上的其它變化可不予考慮。這樣，可以通過(guò)EN端電平的不同對(duì)芯片進(jìn)行開(kāi)/關(guān)控制。

　　于是，可以通過(guò)控制TinySwitch開(kāi)/關(guān)頻率來(lái)獲得不同的次級(jí)輸出功率。滿載時(shí)，讓inySwitch在大部分時(shí)鐘周期導(dǎo)通；不足滿載時(shí)，TinySwitch將?跳過(guò)?更多周期以保持次級(jí)輸出電壓穩(wěn)定；在輕載或空載時(shí)，幾乎跳過(guò)所有周期，只有一小部分周期導(dǎo)通以供給電源的功率消耗。不同負(fù)載工作情況的波形見(jiàn)圖2。

由于在不同輸出功率情況下，有效開(kāi)關(guān)頻率不同，使得輸出功率不同，開(kāi)關(guān)損耗也就不同。TinySwitch的開(kāi)關(guān)損耗幾乎與輸出功率成線性比例，使得電源在各種輸出功率時(shí)都具有較高的效率。這是采用PWM方式開(kāi)關(guān)模式電源（SMPS）望塵莫及的。應(yīng)用TinySwitch進(jìn)行設(shè)計(jì)的電源效率與一般開(kāi)關(guān)模式電源的比較見(jiàn)圖3。

　　TinySwitch在跳周期時(shí)，振蕩器頻率通常加倍（TNY255仍將保持130kHz）。這增加了使能引腳取樣率，使環(huán)路響應(yīng)速度更快，對(duì)保證輸出電壓的穩(wěn)定性非常有利。

　　(3)TinySwitch超溫閉鎖功能

　　參見(jiàn)圖1，TinySwitch內(nèi)設(shè)熱關(guān)斷電路可檢測(cè)管芯結(jié)溫。熱關(guān)斷電路的門(mén)限為135℃，70℃滯回，當(dāng)結(jié)溫上升至超過(guò)門(mén)限時(shí)（135℃），熱關(guān)斷電路關(guān)斷功率MOSFET，直到管芯結(jié)溫下降到70℃時(shí)才會(huì)令其重新導(dǎo)通。

4 TinySwitch的典型應(yīng)用?隔離型待機(jī)電源

　　用TinySwitch實(shí)現(xiàn)的小功率隔離型開(kāi)關(guān)電源，體積小、成本低、設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單，其典型應(yīng)用如圖4所示。

　　圖4為T(mén)inySwitch與反激式離線變換電路相結(jié)合實(shí)現(xiàn)高壓DC輸入的小功率DC電源。通過(guò)在次級(jí)將輸出電壓與一個(gè)參考電壓相比較產(chǎn)生使能信號(hào)。參考電壓取決于一個(gè)光耦發(fā)光二極管與一個(gè)齊納二極管之和。當(dāng)輸出電壓低于參考電壓時(shí)，使能信號(hào)為高電平，控制Tinyn Switch之MOSFET導(dǎo)通，為變壓器初級(jí)提供通路，向次級(jí)供電。當(dāng)輸出電壓超過(guò)參考電壓時(shí)，光耦二極管導(dǎo)通，將使能腳置低電平，使相應(yīng)周期MOSFET關(guān)斷，即MOSFET跳周期，從而保持輸出電壓穩(wěn)定。

　　TinySwitch雖然工作于?跳周期?方式，但一旦一個(gè)周期開(kāi)始，MOSFET總會(huì)完成整個(gè)周期，如此的工作方式使輸出電壓紋波由輸出電容、每個(gè)開(kāi)關(guān)周期的能量和使能反饋的延時(shí)決定。TinySwitch通/斷控制電路的響應(yīng)時(shí)間與一般的PWM控制相比非常迅速，這使得線路具有很好的紋波抑制性能和瞬間響應(yīng)性能。

　　利用TinySwitch進(jìn)行電源設(shè)計(jì)的另一個(gè)好處是不需要輔助電源，參見(jiàn)圖4與圖1，當(dāng)MOSFET關(guān)斷時(shí)，5.8V穩(wěn)壓器通過(guò)來(lái)自漏極的電流將連接到旁路引腳上的旁路電容充電至5.8V，當(dāng)MOSFET導(dǎo)通，TinySwitch消耗存儲(chǔ)在旁路電容上的能量，TinySwitch內(nèi)部電路的功耗極低，使其能利用來(lái)自漏極引腳的電流連續(xù)工作。選取0.1μF的旁路電容已足以實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻去耦和能量存儲(chǔ)。

5 應(yīng)用舉例?移動(dòng)電話充電器

　　不需要輔助電源的特點(diǎn)，使TinySwitch特別適于做移動(dòng)電話充電器。由于TinySwitch總是由輸入高壓供電，因而不需要偏置繞組。圖5顯示了一個(gè)使用TNY254的5.2V、3.6W移動(dòng)電話充電器電路，在市電輸入電壓范圍內(nèi)（85V至256V）提供恒定電壓和電流輸出。交流輸入經(jīng)V1～V4、C1～C2整流濾波，產(chǎn)生與TYN254內(nèi)高壓MOSFET串聯(lián)的高壓直流總線。電感L1與C1和C2一起構(gòu)成型濾波器。電阻R1用于衰減電感L1的諧振。TNY254的低工作頻率（44kHz）使其可以采用如上述簡(jiǎn)單的型濾波器與一個(gè)電容C8組合來(lái)滿足傳導(dǎo)EMI標(biāo)準(zhǔn)。V6、C4和R2組成箝位電路，將TinySwitch漏極引腳關(guān)斷電壓尖峰限制在安全值范圍內(nèi)。次級(jí)繞組經(jīng)V5和C5整流濾波提供5.2V輸出。L2和C6一起提供輔助濾波。輸出電壓由光耦V7的發(fā)光二極管的管壓降（約1V）和齊納二極管V9的電壓之和確定。電阻R8提供齊納二級(jí)管的偏置電流來(lái)改善電壓容差。用晶體管V8的UBE來(lái)檢測(cè)通過(guò)電流檢測(cè)電阻R4上的電壓，R3是一個(gè)基準(zhǔn)電流限制電阻。當(dāng)R4上的壓降超過(guò)晶體管V8的UBE時(shí)V8導(dǎo)通，并驅(qū)動(dòng)光耦V7來(lái)取代環(huán)路控制。R6產(chǎn)生額外的壓降，使得控制環(huán)路工作輸出降至0V。由于輸出短路，R4和R6上的壓降足以保持V8和V7電路工作。電阻R7和R9限制了在輸出短路時(shí)，由R4和R6上的壓降產(chǎn)生的通過(guò)V9流入V8的正向電流。