TinySwitchII系列微型單片開關(guān)電源的應(yīng)用
TinySwitchII系列產(chǎn)品可廣泛用于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TinySwitchII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。TinySwitchII具有頻率抖動特性,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。做具有恒壓/恒流特性的充電器時(shí),TinySwitchII能直接從輸入高壓中獲取能量,不需要反饋繞組,并且即使輸出電壓降到零時(shí)仍能輸出電流,因此可大大簡化充電器的電路設(shè)計(jì)。對于需要欠壓保護(hù)的應(yīng)用領(lǐng)域(如PC待機(jī)電源),也能節(jié)省元件數(shù)量。
1TinySwitchII的典型應(yīng)用
112.5W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VD1~VD4橋式整流,再通過由電感L1與C1、C2構(gòu)成的π型濾波器,獲得直流高壓UI。R1為L1的阻尼電阻。利用TNY264的頻率抖動特性,允許使用簡單的濾波器和低價(jià)格的安全電容C8(Y電容)即可滿足抑制初、次級之間傳導(dǎo)式電磁干擾(EMI)的國際標(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。次級電壓經(jīng)VD5、C5、L2和C6整流濾波后,獲得+5V輸出電壓。
TinySwitchII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)過程中,會產(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,況且在電阻上還會造成功率損耗。解決的辦法是在次級整流濾波器上串聯(lián)一只磁珠。
圖12.5W恒壓/恒流式手機(jī)電池充電器
磁珠(Magneticbead)是近年來問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)、電子測量儀器、以及各種對噪聲要求非常嚴(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)過程中產(chǎn)生的開關(guān)噪聲。
由晶體管VT、電流檢測電阻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。
1215W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),SFH6152型線性光耦合器(IC2)。直流輸入電壓為140V~375V,這對應(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、自動重啟動和高頻開關(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DIP8封裝形式,它能濾除因輸出濾波電容緩慢放電而引起自動重啟動時(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R4給TNY267P供電。正常工作時(shí)TNY267P內(nèi)部漏極驅(qū)動的電流源也停止對外部旁路電容充電,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。
次級輸出經(jīng)VD3、C6和C7進(jìn)行整流濾波。L與C8構(gòu)成后級濾波器,主要用來濾除開關(guān)噪聲。當(dāng)輸出端短路時(shí),自動重啟動電路就限制了輸出電流的增大,并且濾除了對VD3的過沖電壓。由光耦合器IC2(SFH6152)、穩(wěn)壓管VDZ對5V輸出進(jìn)行檢測,R5給穩(wěn)壓管提供偏置電流。
2電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)
21使用注意事項(xiàng)
(1)直流輸入電壓UI的最小值UImin可按90V來設(shè)計(jì)。輸入寬范圍電壓(85V~265V)時(shí),輸入級濾波電容C1的容量可按3μF/W的比例系數(shù)來選取;例如當(dāng)輸出功率PO=10W時(shí),C1=30μF。對于交流230V±15%固定電壓輸入的情況,比例系數(shù)可取1μF/W。
圖215W的PC機(jī)待機(jī)電源電路
圖3TinySwitchII的印制板元件布置圖
(2)為了降低損耗,提高電源效率,次級整流管宜
采用肖特基勢壘二極管(SchottkyBarrierDiode,英文縮寫為SBD),簡稱肖特基二極管。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TinySwitchII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%。
(4)在特定的應(yīng)用中,TinySwitchII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、輸入級濾波電容的容量、輸出整流管的正向壓降等條件而變化,可能與TinySwitchII系列第二代微型開關(guān)電源的原理一文中的表1中所列的典型值不同[見《電源技術(shù)應(yīng)用》2001(11)]。
(5)TinySwitchII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),TinySwitchII就通過不連續(xù)地減小極限電流值,以濾除音頻噪聲。
(6)圖1中的LTV817型線性光耦合器,可用
PC817或PC817A來代替。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。
22印制板設(shè)計(jì)要點(diǎn)
TinySwitchII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):
(1)TinySwitchII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TinySwitchII和次級整流管散熱良好,使芯片的結(jié)溫低于100℃。
(2)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TinySwitchII的初級回路應(yīng)盡量短捷。
(3)初級鉗位電路用于限制關(guān)斷時(shí)漏極上的峰
值電壓??捎肦、C、VD型鉗位電路來實(shí)現(xiàn),亦可用200V穩(wěn)壓管或者瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)對漏極電壓進(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TinySwitchII的距離為最短。
(4)若使用欠壓檢測電阻,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(1/2)W的電阻,耐壓值則為400V。
(5)安全電容(Y電容)應(yīng)直接安裝在初級濾波電容的正極與次級的公共地(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TinySwitchII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。
(7)為提高穩(wěn)壓性能,連到次級繞組、次級整流管、次級濾波電容的的環(huán)路要盡量短。次級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。
(8)連到輸入、輸出濾波電容的印制導(dǎo)線采用了末端收縮的布線方式,這有兩個(gè)好處:
——能使所有的高頻電流通過濾波電容被濾掉(若印制導(dǎo)線過寬,印制導(dǎo)線之間的分布電容就會影響對高頻干擾的濾波效果);
——減少由TinySwitchII向輸入濾波電容、由次級整流管向輸出濾波電容傳輸?shù)臒崃?。返回端與次級的連線要短捷、連線的特性阻抗要低。另外,返回端應(yīng)直接連到次級繞組的引腳處,而不是Y電容的焊點(diǎn)處。
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