tinyswitch ii系列第二代微型单片开关电源的原理

TinySwitchII 系列第二代微型单片开关电源的原理 TinySwitchII 系列是美国 PI（PowerIntegrations ）公司继 TinySwitch 之后，于 2001 年 3 月新推出的第二代增强型隔离式微型单片开关电源集成电路。该系列产品包括TNY264PG、TNY266P GTNY268P G，共 8 种型号。它特别适合制作高效率、低成本、微型化的小功率开关电源，例如手机电池充电器、PC 机待机电源、彩色电视机待机电源、交流电源适配器、电机控制器以及ISDN 或 DSL 网络终端，是体积大、效率低的线性稳压电源理想的替代品。 1TinySwitchII 系列的产品分类及性能特点 1.1 产品分类 产品分类见表 1 表 1TinySwitchII 系列产品的分类及最大连续输出功率 POM 固定交流输入电压（230V15） 宽范围交流输入电压（85V265V） 产品型号 密封式电源模块 敞开式电源 密封式电源模块 敞开式电源 TNY264PTNY264G 5.5 9 4 6 TNY266PTNY266G 10 15 6 9.5 TNY267PTNY267G 13 16 8 12 TNY268PTNY268G 16 23 10 15 1.2 性能特点 与第一代产品 TinySwitch（TNY253TNY255）相比，它除了保留结构简单、使用方便等优点之外，还具有以下显著特点： （1）在增加输出功率的同时，降低了芯片的功耗，使电源效率得到进一步提高。当交流输入电压达到最大值 265V，空载时芯片的功耗一般低于50mW。TinySwitch 系列产品的最大输出功率为 10W（TNY255PG 型），TinySwitchII 系列产品则提高到 23W（TNY268PG 型）。开关频率也从44kHz 提高到 132kHz，这不仅能提高电源转换效率，还允许使用低价格、小尺寸的 EE13 或 EF12.6 型磁芯，减小高频变压器的体积。 （2）增加了自动重启动计数器、极限电流状态机 和输入欠压检测电路。利用一只检测电阻来设定输入电压的欠压阈值，消除了在待机电源等应用中因输入滤波电容缓慢放电而引起的电源掉电故障。一旦发生输出短路、控制环开路或者掉电故障，均能保护芯片不受损坏。 表 2TinySwitchII 与 TinySwich 的性能比较 功能 TinySwitchTNY254 TinySwitchTNY264、266268 TinySwitch的优点 开关频率 44kHz10 132kHz6 开关频率的温漂误差 8 2 减小高频变压器的体积提高开关电源的效率改善稳压性能降低开关电源成本 开关频率抖动量 4kHz 抑制电磁干扰降低滤波元件成本 对由高频变压器产生的音频噪声进行衰减 有 有效滤除浸漆变压器的音频噪声，变压器无须采用特殊结构或胶合剂 输入欠压检测 用一只电阻设定欠压阈值UUV 保护功能更加完善能抑制开/关噪声 漏极极限电流的偏差 9.8(25) 6.8(25) 在 0100 范围内极限电流的温漂 8 0 提高输出功率简化了大批量生产的制造工艺 自动重启动 有 限制了短路输出电流，使之小于满载电流当控制环路出现开环故障时，能对负载起到保护作用外围电路中无须再增加元件 旁路端的电压钳位保护 内部设有钳位用的 6.3V 稳压管 允许器件从初级辅助绕组获得能量，降低了芯片的功耗 所用封装的漏极防漏电距离 0.94mm 3.48mm 防止 DS 管脚之间因落有灰尘、杂物而造成高压漏电 图 1TinySwitchII 的引脚排列 （3）将 TinySwitch 的使能端（EN）改为双功能引出 端“使能欠压端” （EN UV）。正常工作时由此端控制内部功率 MOSFET 的通断，该端还可用于输入欠压检测信号。另外，在旁路端（BP）内部还增加了6.3V 的钳位保护电路。 （4）新增加了开关频率抖动（frequencyjittering） 功能，能滤除浸过清漆的普通高频变压器产生的音频噪声，并防止电源的开关噪声，还能快速上电而无过冲现象。TinySwitchII 的开关控制器的调节速度比一般的脉宽调制器（PWM）更快，对纹波的抑制能力更佳。 （5）功率 MOSFET 漏极的极限电流 ILIMIT 的容 许偏差小。例如 TNY264PG 的容许偏差仅为 25017mA，相对偏差减小到（17250）=6.8；而 TNY254PG 的容差为 25525mA，相对偏差达（25255）=9.8。这表明，用 TNY264PG 代替 TNY254PG 来设计开关电源时，由于 TNY264PG 不需要留出过多的极限电流余量，因此在相同输入功率输出电压的条件下，输出功率要高于 TNY254PG，并且能降低外围元件的成本。 1.3TinySwitchII 与 TinySwich 的性能比较 TinySwitchII 与 TinySwich 系列产品的性能比较见表 2。 2TinySwitchII 系列的工作原理 2.1 管脚功能 TinySwitchII 系列产品的引脚排列如图 1 所示，它采用双列直插式封装（DIP8B ）或表面贴片式封装（SMD8B ），但实际引出端只有 7 个。由于第 6 脚未引出，从而增加了漏极与源极的安全距离。考虑到它有 4 个源极端S，故等效于四端器件。4 个源极被划分成两组：两个 S 端需接控制电路的公共端，两个 S（HVRTN）端则接高压返回端，它们都与内部 MOSFET 的源极连通。D 为内部功率 MOSFET 的漏极引出端，为启动和稳定工作提供了内部工作电流。BP 为旁路端，接外部 0.1F 的旁路电容。正常工作时，由 EN/UV端来控制内部功率 MOSFET 的通断。超载时，从 EN/UV 端流出的电流大于240A，强迫功率 MOSEFT 关断。若该端经一只 2M 电阻接输入直流高压UI，即可对 UI 进行欠压检测，不接电阻时无此项功能。 图 2TinySwitchII 的功能框图 图 3 频率抖动的波形 2.2 工作原理 TinySwitchII 内部集成了一个耐压为 700V 的功率 MOSFET 和一个开关控制器。与传统的 PWM 控制器不同，它采用一个简单的开/关控制器来调节输出电压。其功能框图如图 2 所示。主要包括振荡器，5.8V 稳压器，旁路端钳位用的 6.3V 稳压管，使能检测与逻辑电路，极限电流状态机，欠压、过流及过热保护电路，自动重启动计数器。此外，ENUV 的内部电路中还增加了一个源极跟随器。由图 2 可见，能够控制 MOSFET 关断的电路有以下几种：BP 端欠压比较器，过流比较器，过热保护电路，前沿闭锁电路，最大占空比信号Dmax，EN UV 控制端。它们之间呈“逻辑或”的关系，任何一路均可单独将MOSFET 关断。 TinySwitchII 一般工作在极限电流的模式下。启动时，在每个时钟周期开始时刻，TinySwitchII 对 ENUV 端进行取样，再根据取样结果来决定是否跳过周期以及跳过多少个周期，同时确定适当的极限电流阈值。当漏极电流 ID 逐渐升高并达到 ILIMIT 值或者占空比达到最大值 Dmax 时，使 MOSFET 关断。满载时 TinySwitchII 在大部分周期内导通；中等负载时则要跳过一部分周期并开始降低 ILIMIT 值，以维持输出电压稳定。轻载或空载时，则几乎要跳过所有周期，并且进一步降低 ILIMIT 值，使功率 MOSFET 仅在很少时间内导通，以维持电源正常工作所必须的能量。 ENUV 端一般由光耦合器驱动。光耦合器中接收管的集电极连到 ENUV 端，发射极则接源极。光耦合器与稳压管串联在稳压输出端，输出电压 UO 就等于光耦合器内部发光二极管（LED）正向压降 UF 与稳压管稳定电压 UZ 之和。当 UO时，LED 开始导通，将 ENUV 脚电压置成低电平，使功率 MOSEFT关断，通过减小占空比来使 UO，最终达到稳压目的。为改善稳压性能，亦可用可调式精密并联稳压器 TL431 来代替普通的稳压管。 下面就 TinySwitch 的内部电路中的几个主要功能电路作一介绍： （1）振荡器 振荡器的频率均设置为 132kHz。它能产生决定每个周期起始时间的时钟信号（CLOCK）和最大占空比信号（Dmax）。该振荡器还增加了频率抖动电路，开关频率的抖动范围是 128kHz136kHz，抖动量为4kHz。频率抖动波形如图 3 所示。利用此功能可显著减小噪声干扰，并且噪声谐波次数愈高，抑制作用愈明显。例如对 5 次谐波噪声平均值的衰减量可达 10dB 以上。 （2）使能电路与极限电流状态机 ENUV 端的使能电路中有一个设定值为 1.0V 的低阻抗源极跟随器，其输出电流的阈值为 240A。当该端输出电流超过 240A 时，使能电路就输出低电平（禁止）。在时钟信号的上升沿对输出取样，若为高电平，则本周期接通功率MOSFET；若为低电平，在大多数情况下，就使功率 MOSFET 关断。但在接近于最大负载时，即便使能电路不起作用，功率 MOSFET 在此周期内仍然导通，只是极限电流要降到规定值的 50。因为取样仅在每个周期开始时进行一次，所以在此周期内 ENUV 端上其它电流或电压的变化均可忽略不计。轻载时，极限电流状态机用离散的数字量来减小 ILIMIT 值，使 TinySwitchII 在音频范围内起到开关作用。从而降低了高频变压器产生的音频噪音。 图 4 接欠压保护电阻后的自动重启动波形 图 5 接欠压保护电阻后慢关断的时序波形 （3）5.8V 稳压器和 6.3V 并联式电压钳位器 当 MOSFET 关断时，5.8V 稳压器通过漏极电压的电流将旁路端外接电容 CBP充电到 5.8V。当 MOSFET 导通时，TinySwitchII 就消耗存储在 CBP 中的能量。TinySwitchII 内部电路的功耗极低，使其能利用漏极电流连续工作。选择 0.1F 的旁路电容即可实现高频去耦及能量的存储。此外，外部电阻还向BP 端提供电流，当 BP 端达到 6.3V 的钳位电压时，就关闭 5.8V 稳压器，以降低芯片的空载损耗。 （4）极限电流检测电路 TinySwitchII 的极限电流参数值见表 3。极限电流检测电路用来检测功率MOSFET 的漏极电流 ID 是否达到极限值。在每个开关周期内，当 ID 达到ILIMIT 时功率 MOSFET 就在此周期的剩余时间内关断。 表 3TinySwitch 的极限电流单位：（mA） 型号 TNY264PTNY264G TNY266PTNY266G TNY267PTNY267G TNY268PTNY268G 极限电流典型值：ILIMIT 250 350 450 550 极限电流最小值：ILIMIT(min) 233 325 419 512 极限电流最大值：ILIMIT(max) 267 375 481 588 （5）欠压检测电路 在 ENUV 端与直流高压端 UI 之间接一只欠压保护电阻，即可监测 UI 值是否欠压。当 UI 低于设定值时，欠压检测电路就将旁路端电压 UBP 从正常值（5.8V）降至 4.8V，强迫功率 MOSFET 关断，起到保护作用。 （6）自动重启动 一旦发生输出过载、输出短路或开路故障时，TinySwitchII 能自动重启动，直至排除故障后转入正常