TinySwitch Ⅱ及其在待機(jī)電源中的應(yīng)用

1　引言
　　近年來(lái)，單片開(kāi)關(guān)電源以其構(gòu)成電源系統(tǒng)的低成本、高可靠性和設(shè)計(jì)靈活性等優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越受到電源設(shè)計(jì)者的歡迎。TinySwitch－Ⅱ系列是美國(guó)Power Integrations公司繼TinySwitch之后，最新推出的第二代增強(qiáng)型高效小功率隔離式開(kāi)關(guān)電源用集成電路，該系列產(chǎn)品包括TNY264P/G，TNY266P/G，TNY267P/G，TNY268P/G，共8種型號(hào)。TinySwitch-Ⅱ是TinySwitch的改進(jìn)產(chǎn)品，用它構(gòu)成電源系統(tǒng)時(shí)，成本比分立元件PWM和其他集成/混合式電源方案低、體積小、效率和可靠性高，特別適合于要求低成本、高效率的應(yīng)用場(chǎng)合，如移動(dòng)電話充電器、PC機(jī)及電視機(jī)待機(jī)電源、AC適配器、設(shè)備控制和網(wǎng)絡(luò)終端等。
2　TinySwitch-Ⅱ的性能特點(diǎn)
　　TinySwitch-Ⅱ和TinySwitch一樣具有簡(jiǎn)單的拓?fù)潆娐罚畲筝敵龉β视?0W提高到23W。TinySwitch-Ⅱ不僅象TinySwitch一樣將700V功率MOSFET，振蕩器，高壓開(kāi)關(guān)電流源，流限和熱關(guān)斷電路集成到了單片器件內(nèi)，由漏極電壓提供啟動(dòng)和工作能量，不需要變壓器偏置繞組及相關(guān)電路，而且還在器件內(nèi)結(jié)合了自動(dòng)重啟動(dòng)、輸入欠壓檢測(cè)和頻率抖動(dòng)功能。這種設(shè)計(jì)有效地消除了音頻噪聲。全集成的自動(dòng)重啟動(dòng)電路將輸出短路或控制環(huán)開(kāi)路等故障情況下的輸出功率限制在安全范圍內(nèi)，既限制了短路輸出電流也保護(hù)了負(fù)載、同時(shí)減少了元件數(shù)，降低了次級(jí)反饋電路的成本。線路欠壓門(mén)限可用一只檢測(cè)電阻外部設(shè)定，從而消除了在待機(jī)電源等應(yīng)用中，由于輸入存儲(chǔ)電容緩慢放電而產(chǎn)生的電源掉電故障。開(kāi)關(guān)頻率從44kHz提高到132kHz，允許使用低價(jià)格、小尺寸的EF12.6或EE13型磁芯，從而減小了高頻變壓器的體積、提高了電源效率，同時(shí)它的132kHz的工作頻率是抖動(dòng)的，可以顯著降低準(zhǔn)峰值和平均EMI，使得濾波成本最低。另外，它有極高的能效和可靠性。
3　 引腳功能描述
　　如圖1所示，TinySwitch-Ⅱ系列單片開(kāi)關(guān)電源采用8腳雙列直插式（DIP-8）或表面粘貼式（SMD-8）封裝，其各引腳功能描述如下：

圖1　引腳配置圖

　　漏極(D)引腳　　功率MOSFET的漏極輸出引腳，為啟動(dòng)和穩(wěn)態(tài)工作提供內(nèi)部工作電流；
　　旁路（BP）引腳　　該端與地（S極）之間需接一只0.1μF的旁路電容；
　　使能/欠壓(EN/UV)引腳　　此引腳具有輸入使能和輸入欠壓檢測(cè)兩個(gè)功能，正常工作時(shí)，通過(guò)此引腳可控制功率MOEFET的通斷（當(dāng)該腳的電流大于240μA時(shí)將功率MOSFET關(guān)斷），此引腳還通過(guò)與輸入直流高電壓相連的外部電阻來(lái)檢測(cè)欠壓情況，若該引腳沒(méi)有與外部電阻相連，則沒(méi)有輸入欠壓功能；
　　源極（S）引腳　　控制電路的公用點(diǎn)，連接到內(nèi)部MOSFET的源極，4個(gè)源極在內(nèi)部是相連通的，它們被劃分成兩組，其中2個(gè)S端須接控制電路的公共端，另2個(gè)S（HVRTN）端則接高壓返回端，其典型應(yīng)用電路如圖2所示。

圖2　典 型 應(yīng) 用 電 路

4　工作原理
　　圖3為T(mén)inySwitch-Ⅱ的功能框圖。其內(nèi)部集成了一個(gè)耐壓為700V的功率MOSFET和一個(gè)開(kāi)/關(guān)控制器。與傳統(tǒng)的PWM控制器不同，它使用一簡(jiǎn)單的開(kāi)/關(guān)控制器來(lái)穩(wěn)定輸出電壓。振蕩器的頻率為132kHz，振蕩器中還增加了頻率抖動(dòng)電路，抖動(dòng)量為±4kHz，該功能使EMI的均值和準(zhǔn)峰值噪聲均較低。

圖3　功 能 框 圖

　　TinySwitch-Ⅱ通常是工作在極限電流的模式下。啟動(dòng)時(shí)，它在每個(gè)時(shí)鐘周期的起始對(duì)EN/UV引腳信號(hào)取樣，然后根據(jù)取樣結(jié)果決定是否跳過(guò)周期或跳過(guò)多少個(gè)周期，同時(shí)確定適當(dāng)?shù)臉O限電流閾值。當(dāng)漏極電流I_D逐漸升高并達(dá)到I_LIMIT值或占空比達(dá)到最大值D_maxx時(shí)，使功率MOSFET關(guān)斷。滿載時(shí)TinySwitch-Ⅱ在大部分周期內(nèi)導(dǎo)通，中等負(fù)載時(shí)則要跳過(guò)一部分周期并開(kāi)始降低I_LIMIT值，以維持輸出電壓穩(wěn)定，輕載或空載時(shí)，則幾乎要跳過(guò)所有周期并且進(jìn)一步降低I_LIMIT值，使功率MOSFET僅在很短時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通，以維持電源正常工作所必需的能量。這本質(zhì)上是引入了PFM調(diào)制的原理。另外，在輕負(fù)載狀態(tài)下，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率有可能進(jìn)入音頻范圍內(nèi)時(shí)，流限狀態(tài)調(diào)節(jié)器以非連續(xù)方式降低流限，較低的流限值使得開(kāi)關(guān)頻率保持在音頻以上，降低了變壓器的磁通密度從而減輕了音頻噪聲。
　　EN/UV引腳的使能電路包含一個(gè)輸出設(shè)定為1.0V的低阻抗源級(jí)跟隨電路，流經(jīng)該電路的電流被限制在240μA，當(dāng)流出此引腳的電流超過(guò)240μA時(shí)，使能電路的輸出端會(huì)產(chǎn)生邏輯低（禁止）。連接在直流電源和EN/UV引腳間的外接電阻可用于監(jiān)測(cè)直流輸入電壓，當(dāng)電壓低于設(shè)定值時(shí)，欠壓檢測(cè)電路就將旁路端電壓UBP從正常值5.8V降至4.8V，強(qiáng)迫功率MOSFET關(guān)斷，起到保護(hù)作用；當(dāng)輸出MOSFET關(guān)斷時(shí)，5.8V穩(wěn)壓器通過(guò)漏極電壓抽取電流將旁路引腳上連接的旁路電容充電至5.8V，當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時(shí)，TinySwitch-Ⅱ消耗存儲(chǔ)在旁路電容中的能量；另外，TinySwitch-Ⅱ中還有一個(gè)6.3V并聯(lián)穩(wěn)壓器，當(dāng)電流經(jīng)外部電阻注入旁路引腳時(shí)，穩(wěn)壓器將旁路引腳電壓箝位在6.3V，這樣能方便地通過(guò)偏置繞組對(duì)TinySwitch-Ⅱ外部供電，將空載功耗降至約50mW。
　　當(dāng)發(fā)生輸出過(guò)載，輸出短路或開(kāi)環(huán)故障時(shí)，TinySwitch-Ⅱ能自動(dòng)重啟動(dòng)，直至排除故障后轉(zhuǎn)入正常工作狀態(tài)；極限電流檢測(cè)電路用來(lái)檢測(cè)功率MOSFET的漏極電流是否達(dá)到極限值，在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)當(dāng)電流達(dá)到極限電流ILIMIT時(shí)功率MOSFET就在此周期的剩余時(shí)間內(nèi)關(guān)斷；TinySwitch-Ⅱ的旁路引腳上僅需0.1μF的電容，由于電容小，充電時(shí)間極短，一般為0.6ms，因此上電過(guò)程迅速且電源輸出無(wú)過(guò)沖。當(dāng)EN/UV引腳和直流輸入的正極間接了外部電阻（2MΩ）時(shí)，上電期間功率MOSFET的開(kāi)關(guān)將被延遲到直流電壓超過(guò)門(mén)限值（100V）以后。斷電時(shí)，如果使用了外接電阻，功率MOSFET在輸出失調(diào)后仍將繼續(xù)開(kāi)關(guān)50ms，該特性在用做待機(jī)電源時(shí)，使待機(jī)電源具有緩慢關(guān)斷的特性。
5　　TinySwitch-Ⅱ在待機(jī)電源中的應(yīng)用
　　圖4是一基于TNY267P，功率為15W的PC機(jī)待機(jī)電源電路，該電路提供兩路輸出：主輸出5V,3A和初級(jí)輔輸出12V,20mA。輸入電壓范圍為DC140～375V，132kHz的工作頻率使得變壓器磁芯可用EE22型，線路檢測(cè)電阻R₂和R₃檢測(cè)直流輸入電壓是否出現(xiàn)欠壓。R₂和R₃組合的阻值為4MΩ，將上電時(shí)的欠壓門(mén)限設(shè)為DC 200V，一旦開(kāi)啟電源，只要整流直流輸入電壓高于140V，它都將繼續(xù)工作，直到降到低于140V才關(guān)機(jī)，這種設(shè)計(jì)方案可為待機(jī)電源提供所需的保持時(shí)間。輔助初級(jí)繞組生成12V輸出電壓供電源初級(jí)控制器使用，另外，此電壓還用于通過(guò)R₄向TinySwitch-Ⅱ供電。從外部向TinySwitch-Ⅱ供電（盡管不是必須），由于不再使用內(nèi)部漏級(jí)驅(qū)動(dòng)電流向旁路引腳電容C₃充電，從而能降低器件的靜態(tài)功耗。R₄阻值為10kΩ，為旁路引腳提供600μA電流，比TinySwitch-Ⅱ的電流消耗略大，多余的電流由片內(nèi)的穩(wěn)壓管安全地箝位在6.3V。次級(jí)繞組由D₃和C₆整流濾波，由于自動(dòng)重啟動(dòng)功能限制短路輸出電流，因而勿須使用更大的D₃，L₁和C₈實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)噪聲濾波。光耦U₂和VR₁用于5V的輸出檢測(cè)，R₅用以給穩(wěn)壓管提供偏置電流。由于TinySwitch-Ⅱ限制了光耦LED電流的動(dòng)態(tài)范圍，使穩(wěn)壓管能以接近恒定偏置電流工作，因而得以提供一般所需要的精度（大約±3％）。該電源效率高于78％。

圖4　PC機(jī)待機(jī)電源電路

6　　結(jié)語(yǔ)
　　本文通過(guò)討論TinySwitch-Ⅱ的工作原理及主要性能特點(diǎn)，表明在小功率開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用中，它具有元件數(shù)少，成本低，體積小，可靠性和效率高等優(yōu)點(diǎn)，有著廣泛的應(yīng)用前景。