基于TinySwitch-II的微型开关电源优化设计

引言 　　TinySwitch-II系列产品用于23W以下小功率、低成本的高效开关电源。例如，IC卡付费电度表中的小型化开关电源模块，手机电池恒压／恒流充电器，电源适配器（Powersupplyadapter），微机、彩电、激光打印机、录像机、摄录像机等高档家用电器中的待机电源（Standbypowersupply），还适用于ISDN及DSL网络终端设备。 　　使用TinySwitch-II便于实现开关电源的优化设计。由于其开关频率提高到132kHz，因此高频变压器允许采用EE13或EF12.6小型化磁芯，并达到很高的电源效率。TinySwitch-II具有频率抖动特性，仅用一只电感（在输出功率小于3W或可接受的较低效率时，还可用两个小电阻）和两只电容，即可进行EMI滤波。即使在短路条件下，也不需要使用大功率整流管。 　　1 TinySwitch-II的典型应用 　　1.1 2.5W恒流／恒压输出式手机电池充电器 　　由TNY264（IC1）构成的2.5W（5V、0.5A）、交流宽范围输入的手机电池充电器电路，如图1所示。RF为熔断电阻器。85V～265V交流电经过VD1～VD4桥式整流，再通过由电感L1与C1、C2构成的π型滤波器，获得直流高压UI。R1为L1的阻尼电阻。利用TNY264的频率抖动特性，允许使用简单的滤波器和低价格的安全电容C8（Y电容）即可满足抑制初、次级之间传导式电磁干扰（EMI）的国际标准。即使发生输出端容性负载接地的最不利情况下，通过给高频变压器增加屏蔽层，仍能有效抑制EMI。由二极管VD6、电容C3和电阻R2构成的钳位保护电路，能将功率MOSFET关断时加在漏极上的尖峰电压限制在安全范围以内。当输出电流IO低于500mA时，电压控制环工作，电流控制环则因晶体管VT截止而不起作用。此时，输出电压UO由光耦合器IC2（LTV817）中LED的正向压降（UF≈1V）和稳压管VDZ的稳压值（UZ=3.9V）来共同设定，即UO=UF＋UZ≈5V。电阻R8给稳压管提供偏置电流，使VDZ的稳定电流IZ接近于典型值。次级电压经VD5、C5、L2和C6整流滤波后，获得＋5V输出电压。 　　TinySwitch-II的开关频率较高，在输出整流管VD5关断后的反向恢复过程中，会产生开关噪声，容易损坏整流管。虽然在VD5两端并上由阻容元件串联而成的RC吸收电路，能对开关噪声起到一定的抑制作用，但效果仍不理想，况且在电阻上还会造成功率损耗。解决的办法是在次级整流滤波器上串联一只磁珠。 　　磁珠（Magneticbead）是近年来问世的一种超小型的非晶合金磁性材料，它与铁氧体属两种材料。市售的磁珠外形与塑封二极管相仿，外形呈管状，但改用磁性材料封装，内穿一根导线而制成的小电感。常见磁珠的外形尺寸有Φ2.5×3（mm）、Φ2.5×8（mm）、Φ3×5（mm）等多种规格。供单片开关电源使用的磁珠，电感量一般为几至几十μH。磁珠的直流电阻非常小，一般为0.005Ω～0.01Ω。通常噪声滤波器只能吸收已发生了的噪声，属于被动抑制型；磁珠的作用则不同，它能抑制开关噪声的产生，因此属于主动抑制型，这是二者的根本区别。磁珠可广泛用于高频开关电源、录像机、电子测量仪器、以及各种对噪声要求非常严格的电路中。图1中的滤波电感L2，就选用3.3μH的磁珠，可滤除VD5在反向恢复过程中产生的开关噪声。 　　由晶体管VT、电流检测电阻R4和光耦合器IC2组成电流控制环。当输出电流IO接近于500mA时，由于R4上的压降升高，使晶体管VT的发射极电压UBE也随之升高，VT进入放大区，此时电流控制环开始起作用，输出呈恒流特性。即使输出端发生短路故障，使得IO↑，UO→0V，由于电阻R6和R4上的总压降约为1.2V，仍能维持VT和光耦合器中LED的正常工作。R3为基极限流电阻。 　　1.2 15W的PC机待机电源电路 　　一种输出功率为15W的PC机待机电源电路如图2所示。该电源可提供两路输出：主输出为＋5V、3A；辅助输出则为＋12V、20mA。总输出功率为15.24W,电源效率高于78％。电路中采用两片集成电路：TNY267P型微型单片开关电源（IC1），SFH615-2型线性光耦合器（IC2）。直流输入电压为140V～375V，这对应于交流输入电压为230V±15％或者110／115V倍压输入的情况。利用TNY267P的欠压检测、自动重启动和高频开关特性，允许使用体积较小、价格较低的EE22型高频变压器磁芯。TNY267P芯片采用的是DIP-8封装形式，它能滤除因输出滤波电容缓慢放电而引起自动重启动时，在输出电压波形上形成的毛刺。当输入电压低于欠压值时，TNY267P就自动关断，起到保护作用；仅当输入电压高于欠压阈值时才工作。R2、R3为欠压阈值设定电阻。二者的总阻值选4MΩ时，欠压阈值设定为直流200V，整流后的直流高压UI必须高于200V时，才能开启电源。而一旦开启电源，就将持续工作，直到UI降至140V才关机。这种滞后式关机的特性，可为待机电源提供所需的保持（Holdup）时间。 　　初级一侧的辅助绕组经VD2、C2整流滤波后，获得＋12V输出电压，并通过R4给TNY267P供电。正常工作时TNY267P内部漏极驱动的电流源也停止对外部旁路电容充电，以减少其间的静态损耗。选R4=10kΩ时，可为旁路端提供640μA的电流，这略高于TNY267P的损耗电流，超出部分将被芯片内部的稳压管钳位在6.3V的安全电压上。 　　次级输出经VD3、C6和C7进行整流滤波。L与C8构成后级滤波器，主要用来滤除开关噪声。当输出端短路时，自动重启动电路就限制了输出电流的增大，并且滤除了对VD3的过冲电压。由光耦合器IC2（SFH615-2）、稳压管VDZ对5V输出进行检测，R5给稳压管提供偏置电流。 　　2 电路设计要点 　　2.1 使用注意事项 　　（1）直流输入电压UI的最小值UImin可按90V来设计。输入宽范围电压（85V～265V）时，输入级滤波电容C1的容量可按3μF／W的比例系数来选取；例如当输出功率PO=10W时，C1=30μF。对于交流230V±15％固定电压输入的情况，比例系数可取1μF／W。 　　（2）为了降低损耗，提高电源效率，次级整流管宜采用肖特基势垒二极管（SchottkyBarrierDiode，英文缩写为SBD），简称肖特基二极管。这种管子具有正向压降低（UF≈0.4V）、功率损耗小、反向恢复时间短（trr可小到几ns）等优点，适合用做低压、大电流整流或续流。 　　（3）选择输出功率较大的TinySwitch-II芯片，有助于提高电源效率。例如在图2所示的电路中，选择TNY267时电源效率的下限值为78％；若采用TNY266、TNY264，就依次降为76％、74％。 　　（4）在特定的应用中，TinySwitch-II的最大输出功率随热环境（包括环境温度，散热条件，通风状况以及电源采用密封式还是敞开式等因素）、高频变压器磁芯的尺寸、工作方式的设计（连续模式或不连续模式）、所需功率、输入电压的最小值、输入级滤波电容的容量、输出整流管的正向压降等条件而变化。 　　（5）TinySwitchII能滤除高频变压器产生的音频噪声。允许采用普通结构的浸漆变压器，磁芯之间也可以不用胶粘接。当开关电源随负载的减轻而产生音频干扰时，TinySwitchII就通过不连续地减小极限电流值，以滤除音频噪声。 　　（6）图1中的LTV817型线性光耦合器，可用PC817或PC817A来代替。它们的技术参数基本相同，电流传输比CTR=80％～160％，反向击穿电压U（BR）CEO≥35V。 　　（7）在图2所示电路中，待机电源若选择TNY266P芯片，输出功率就降为10W。此时可选EE16型高频变压器磁芯，并且还可以去掉滤波电容C7。 　　2.2 印制板设计要点 　　TinySwitch-II芯片的印制板元器件布置图，如图3所示，这里未使用欠压保护电阻。设计印制板时必须注意以下事项： 　　（1）TinySwitch-II下面的敷铜板不仅作为源极接地点，还起到散热作用。图3中阴影区域面积应足够大，才能保证TinySwitch-II和次级整流管散热良好，使芯片的结温低于100℃。 　　（2）旁路端电容CBP和输入滤波电容C1必须采用单点接地法，接至源极端。连接C1、高频变压器和TinySwitch-II的初级回路应尽量短捷。 　　（3）初级钳位电路用于限制关断时漏极上的峰值电压。可用R、C、VD型钳位电路来实现，亦可用200V稳压管或者瞬态电压抑制器（TVS）对漏极电压进行钳位。在任何情况下，都要使钳位元器件到高频变压器和TinySwitch-II的距离为最短。 　　（4）若使用欠压检测电阻，应使电阻尽可能靠近EN／UV端，以减少感应噪声。还需要考虑欠压检测电阻R2和R3的耐压值。选择（1／4）W的电阻时，一般可承受200V电压（指连续加压，下同）；对（1／2）W的电阻，耐压值则为400V。 　　（5）安全电容（Y电容）应直接安装在初级滤波电容的正极与次级的公共地（返回端）之间，最大限度地抑制电磁干扰和共模浪涌电压。 　　（6）光耦合器到TinySwitch-II的EN／UV端和源极的距离应最短，以减小噪声耦合。EN／UV脚到光耦合器的距离应小于12.7mm，到漏极的距离则应大于5.1mm。 　　（7）为提高稳压性能，连到次级绕组、次级整流管、次级滤波电容的的环路要尽量短。次级整流管的焊盘面积须足够大，以确保在输出短路的情况下能将整流二极管的热量及时散发掉。