TinySwitch-PK輕松提供峰值功率

　　當(dāng)今電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要目標(biāo)是優(yōu)化成本和降低功耗。個(gè)人視頻錄像機(jī)(PVR)和其它包含磁盤驅(qū)動(dòng)器的消費(fèi)類產(chǎn)品，在這個(gè)方面所面臨的挑戰(zhàn)非常具有代表性。這些設(shè)備在穩(wěn)態(tài)工作條件下，通常運(yùn)行非常平穩(wěn)，功耗也相對(duì)較低。然而在啟動(dòng)時(shí)，它們的驅(qū)動(dòng)器卻需要數(shù)倍于靜態(tài)功耗的電能，以便迅速旋轉(zhuǎn)盤片進(jìn)行加速。設(shè)計(jì)用于提供啟動(dòng)電流的電源不但成本更高，體積更大，而且自身消耗的功率也要比大部分時(shí)間所需要的功率多。

　　具有間歇性高峰值負(fù)載的其它消費(fèi)類設(shè)備有：DVD播放器中用于啟動(dòng)光盤的電機(jī)、有源揚(yáng)聲器(如MP3對(duì)接站)以及相片打印機(jī)和熱敏打印機(jī)。針對(duì)此類應(yīng)用，PI(Power Integrations)公司推出了TinySwitch-PK離線式開關(guān)系列產(chǎn)品。以TNY375P為例，它采用低成本的DIP-8封裝，能夠提供6W的連續(xù)輸出功率(12.5W峰值)，通過對(duì)開關(guān)頻率進(jìn)行智能化控制，可由僅設(shè)計(jì)為6W輸出功率的變壓器提供峰值功率。該系列中最大的器件(TNY380P)可以提供35W的峰值功率。TinySwitch-PK離線式開關(guān)采用了經(jīng)PI優(yōu)化的開/關(guān)控制方法(見圖1)。

圖1 典型的峰值功率應(yīng)用

　 　TinySwitch-PK集成了一個(gè)700V的功率MOSFET、振蕩器、開/關(guān)控制器、電流限流(用戶可選)及熱關(guān)斷電路。在使能狀態(tài)下，振蕩器在每個(gè)時(shí)鐘周期開始時(shí)開啟功率MOSFET。當(dāng)電流達(dá)到限流點(diǎn)時(shí)，MOSFET才會(huì)關(guān)斷。由于TinySwitch-PK設(shè)計(jì)的最高限流值與頻率是定值，它提供給負(fù)載的功率與變壓器初級(jí)電感及峰值初級(jí)電流的平方成正比。

　　TinySwitch-PK的內(nèi)部時(shí)鐘始終工作。它在每個(gè)時(shí)鐘周期上升沿對(duì)EN/UV引腳進(jìn)行取樣，來決定是否執(zhí)行一個(gè)開關(guān)周期，并根據(jù)多個(gè)周期的取樣序列確定適當(dāng)?shù)南蘖?。重?fù)載時(shí)，限流狀態(tài)調(diào)節(jié)器將限流設(shè)置到最高值。對(duì)于TinySwitch-PK而言，當(dāng)狀態(tài)調(diào)節(jié)器將限流設(shè)置到其最高值時(shí)，振蕩器頻率也將提高一倍，從而提供獨(dú)特的峰值功率模式。負(fù)載減輕時(shí)，限流狀態(tài)調(diào)節(jié)器會(huì)相應(yīng)將限流值的設(shè)置降低。在較低的電流限流點(diǎn)水平時(shí)，振蕩器頻率恢復(fù)到標(biāo)準(zhǔn)值。

　　電源設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵問題是安全可靠性。TinySwitch系列產(chǎn)品面向普通模擬電路設(shè)計(jì)師而開發(fā)，即便不是電源專家也可使用。它只需要極少的外部元件，因此可以在單面PCB板上實(shí)現(xiàn)電源設(shè)計(jì)。不過，峰值功率特性決定了系統(tǒng)設(shè)計(jì)師必須考慮峰值功率條件下的總能量預(yù)算。電流達(dá)到峰值水平時(shí)，不僅TinySwitch器件中的熱量，而且變壓器和其它元件中的熱量都會(huì)急劇增加。

　　TinySwitch集成有帶遲滯范圍的熱關(guān)斷功能。關(guān)斷閾值通常設(shè)置為142℃，此時(shí)器件將安全關(guān)斷。一旦結(jié)溫度下降75℃，開關(guān)將自動(dòng)重啟動(dòng)。集成遲滯范圍可以防止器件下的熱量過大，進(jìn)而燒毀PCB板。為了確保電源中的其它元件安全工作，電源設(shè)計(jì)師必須考慮出現(xiàn)峰值功率的頻率及其持續(xù)時(shí)間，以免熱量過度增加。為此，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)調(diào)整元件尺寸，采用適當(dāng)?shù)耐L(fēng)和散熱設(shè)計(jì)。圖2所示為多路輸出電源的電路圖，該電源適用于DVD播放器。

圖2 四路輸出7.5W（13W 峰值）電源

　　參考PI發(fā)布的應(yīng)用指南AN-42中的指導(dǎo)方法，可以快速選擇用于此AC-DC反激式電源的關(guān)鍵元件。通過使用免費(fèi)提供的PI Expert設(shè)計(jì)軟件套件的一部分 —— PI Xls設(shè)計(jì)表格，應(yīng)用指南將指導(dǎo)設(shè)計(jì)師完成元件選擇和變壓器設(shè)計(jì)過程。

　　對(duì)電源設(shè)計(jì)師而言，最可怕的事情莫過于，在剛剛完成一個(gè)經(jīng)濟(jì)高效的設(shè)計(jì)方案后，負(fù)載要求或系統(tǒng)熱預(yù)算卻發(fā)生了變化。由于TinySwitch-PK系列產(chǎn)品的電流限流點(diǎn)由連接至BP引腳(圖2中的C4)的電容值決定，因此，TinySwitch-PK系列產(chǎn)品具有應(yīng)對(duì)此變化的靈活性。小至0.1mF的陶瓷電容可以用作內(nèi)部電源的去耦器件，而較大的電容則可用于調(diào)節(jié)電流限流點(diǎn)。1mF的BP/M引腳電容要選擇一個(gè)較小的限流值(等于相鄰更小型號(hào)的TinySwitch-PK器件的標(biāo)準(zhǔn)流限值)，10mF的BP/M引腳電容需選擇一個(gè)較大的限流值(等于相鄰更大型號(hào)器件的標(biāo)準(zhǔn)限流值)。通過選擇相應(yīng)的電容值，設(shè)計(jì)師不僅可以為應(yīng)用設(shè)置適合的電流限流點(diǎn)，還可以靈活選擇TinySwitch-PK系列產(chǎn)品中不同的器件，無需重新設(shè)計(jì)變壓器、輸出級(jí)、布局，也不會(huì)影響電路的EMI性能。