TinySwitch II系列第二代微型單片開關(guān)電源的原理

TinySwitch II系列第二代微型單片開關(guān)電源的原理

TinySwitch?II系列是美國PI（PowerIntegrations）公司繼TinySwitch之后，于2001年3月新推出的第二代增強型隔離式微型單片開關(guān)電源集成電路。該系列產(chǎn)品包括TNY264P／G、TNY266P／G～TNY268P／G，共8種型號。它特別適合制作高效率、低成本、微型化的小功率開關(guān)電源，例如手機電池充電器、PC機待機電源、彩色電視機待機電源、交流電源適配器、電機控制器以及ISDN或DSL網(wǎng)絡(luò)終端，是體積大、效率低的線性穩(wěn)壓電源理想的替代品。

1TinySwitch?II系列的產(chǎn)品分類及性能特點

1.1產(chǎn)品分類

產(chǎn)品分類見表1

表1TinySwitch?II系列產(chǎn)品的分類及最大連續(xù)輸出功率POM

1.2性能特點

與第一代產(chǎn)品TinySwitch（TNY253～TNY255）相比，它除了保留結(jié)構(gòu)簡單、使用方便等優(yōu)點之外，還具有以下顯著特點：

（1）在增加輸出功率的同時，降低了芯片的功耗，使電源效率得到進一步提高。當(dāng)交流輸入電壓達(dá)到最大值265V，空載時芯片的功耗一般低于50mW。TinySwitch系列產(chǎn)品的最大輸出功率為10W（TNY255P／G型），TinySwitch?II系列產(chǎn)品則提高到23W（TNY268P／G型）。開關(guān)頻率也從44kHz提高到132kHz，這不僅能提高電源轉(zhuǎn)換效率，還允許使用低價格、小尺寸的EE13或EF12.6型磁芯，減小高頻變壓器的體積。

（2）增加了自動重啟動計數(shù)器、極限電流狀態(tài)機

和輸入欠壓檢測電路。利用一只檢測電阻來設(shè)定輸入電壓的欠壓閾值，消除了在待機電源等應(yīng)用中因輸入濾波電容緩慢放電而引起的電源掉電故障。一旦發(fā)生輸出短路、控制環(huán)開路或者掉電故障，均能保護芯片不受損壞。

表2TinySwitch?II與TinySwich的性能比較

圖1TinySwitch?II的引腳排列

（3）將TinySwitch的使能端（EN）改為雙功能引出

端“使能／欠壓端”（EN／UV）。正常工作時由此端控制內(nèi)部功率MOSFET的通斷，該端還可用于輸入欠壓檢測信號。另外，在旁路端（BP）內(nèi)部還增加了6.3V的鉗位保護電路。

（4）新增加了開關(guān)頻率抖動（frequencyjittering）

功能，能濾除浸過清漆的普通高頻變壓器產(chǎn)生的音頻噪聲，并防止電源的開關(guān)噪聲，還能快速上電而無過沖現(xiàn)象。TinySwitch?II的開／關(guān)控制器的調(diào)節(jié)速度比一般的脈寬調(diào)制器（PWM）更快，對紋波的抑制能力更佳。

（5）功率MOSFET漏極的極限電流ILIMIT的容

許偏差小。例如TNY264P／G的容許偏差僅為250±17mA，相對偏差減小到（±17／250）％=±6.8％；而TNY254P／G的容差為255±25mA，相對偏差達(dá)（±25／255）％=±9.8％。這表明，用TNY264P／G代替TNY254P／G來設(shè)計開關(guān)電源時，由于TNY264P／G不需要留出過多的極限電流余量，因此在相同輸入功率／輸出電壓的條件下，輸出功率要高于TNY254P／G，并且能降低外圍元件的成本。

1.3TinySwitch?II與TinySwich的性能比較

TinySwitch?II與TinySwich系列產(chǎn)品的性能比較見表2。

2TinySwitch?II系列的工作原理

2.1管腳功能

TinySwitch?II系列產(chǎn)品的引腳排列如圖1所示，它采用雙列直插式封裝（DIP?8B）或表面貼片式封裝（SMD?8B），但實際引出端只有7個。由于第6腳未引出，從而增加了漏極與源極的安全距離?？紤]到它有4個源極端S，故等效于四端器件。4個源極被劃分成兩組：兩個S端需接控制電路的公共端，兩個S（HVRTN）端則接高壓返回端，它們都與內(nèi)部MOSFET的源極連通。D為內(nèi)部功率MOSFET的漏極引出端，為啟動和穩(wěn)定工作提供了內(nèi)部工作電流。BP為旁路端，接外部0.1μF的旁路電容。正常工作時，由EN/UV端來控制內(nèi)部功率MOSFET的通斷。超載時，從EN/UV端流出的電流大于240μA，強迫功率MOSEFT關(guān)斷。若該端經(jīng)一只2MΩ電阻接輸入直流高壓UI，即可對UI進行欠壓檢測，不接電阻時無此項功能。

圖2TinySwitch?II的功能框圖

圖3頻率抖動的波形

2.2工作原理

TinySwitch?II內(nèi)部集成了一個耐壓為700V的功率MOSFET和一個開／關(guān)控制器。與傳統(tǒng)的PWM控制器不同，它采用一個簡單的開/關(guān)控制器來調(diào)節(jié)輸出電壓。其功能框圖如圖2所示。主要包括振蕩器，5.8V穩(wěn)壓器，旁路端鉗位用的6.3V穩(wěn)壓管，使能檢測與邏輯電路，極限電流狀態(tài)機，欠壓、過流及過熱保護電路，自動重啟動計數(shù)器。此外，EN／UV的內(nèi)部電路中還增加了一個源極跟隨器。由圖2可見，能夠控制MOSFET關(guān)斷的電路有以下幾種：BP端欠壓比較器，過流比較器，過熱保護電路，前沿閉鎖電路，最大占空比信號Dmax，EN／UV控制端。它們之間呈“邏輯或”的關(guān)系，任何一路均可單獨將MOSFET關(guān)斷。

TinySwitch?II一般工作在極限電流的模式下。啟動時，在每個時鐘周期開始時刻，TinySwitch?II對EN／UV端進行取樣，再根據(jù)取樣結(jié)果來決定是否跳過周期以及跳過多少個周期，同時確定適當(dāng)?shù)臉O限電流閾值。當(dāng)漏極電流ID逐漸升高并達(dá)到ILIMIT值或者占空比達(dá)到最大值Dmax時，使MOSFET關(guān)斷。滿載時TinySwitch?II在大部分周期內(nèi)導(dǎo)通；中等負(fù)載時則要跳過一部分周期并開始降低ILIMIT值，以維持輸出電壓穩(wěn)定。輕載或空載時，則幾乎要跳過所有周期，并且進一步降低ILIMIT值，使功率MOSFET僅在很少時間內(nèi)導(dǎo)通，以維持電源正常工作所必須的能量。

EN／UV端一般由光耦合器驅(qū)動。光耦合器中接收管的集電極連到EN／UV端，發(fā)射極則接源極。光耦合器與穩(wěn)壓管串聯(lián)在穩(wěn)壓輸出端，輸出電壓UO就等于光耦合器內(nèi)部發(fā)光二極管（LED）正向壓降UF與穩(wěn)壓管穩(wěn)定電壓UZ之和。當(dāng)UO↑時，LED開始導(dǎo)通，將EN／UV腳電壓置成低電平，使功率MOSEFT關(guān)斷，通過減小占空比來使UO↓，最終達(dá)到穩(wěn)壓目的。為改善穩(wěn)壓性能，亦可用可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431來代替普通的穩(wěn)壓管。

下面就TinySwitch?Ⅱ的內(nèi)部電路中的幾個主要功能電路作一介紹：

（1）振蕩器

振蕩器的頻率均設(shè)置為132kHz。它能產(chǎn)生決定每個周期起始時間的時鐘信號（CLOCK）和最大占空比信號（Dmax）。該振蕩器還增加了頻率抖動電路，開關(guān)頻率的抖動范圍是128kHz～136kHz，抖動量為±4kHz。頻率抖動波形如圖3所示。利用此功能可顯著減小噪聲干擾，并且噪聲諧波次數(shù)愈高，抑制作用愈明顯。例如對5次諧波噪聲平均值的衰減量可達(dá)10dB以上。

（2）使能電路與極限電流狀態(tài)機

EN／UV端的使能電路中有一個設(shè)定值為1.0V的低阻抗源極跟隨器，其輸出電流的閾值為240μA。當(dāng)該端輸出電流超過240μA時，使能電路就輸出低電平（禁止）。在時鐘信號的上升沿對輸出取樣，若為高電平，則本周期接通功率MOSFET；若為低電平，在大多數(shù)情況下，就使功率MOSFET關(guān)斷。但在接近于最大負(fù)載時，即便使能電路不起作用，功率MOSFET在此周期內(nèi)仍然導(dǎo)通，只是極限電流要降到規(guī)定值的50％。因為取樣僅在每個周期開始時進行一次，所以在此周期內(nèi)EN／UV端上其它電流或電壓的變化均可忽略不計。輕載時，極限電流狀態(tài)機用離散的數(shù)字量來減小ILIMIT值，使TinySwitch?II在音頻范圍內(nèi)起到開關(guān)作用。從而降低了高頻變壓器產(chǎn)生的音頻噪音。

圖4接欠壓保護電阻后的自動重啟動波形

圖5接欠壓保護電阻后慢關(guān)斷的時序波形

（3）5.8V穩(wěn)壓器和6.3V并聯(lián)式電壓鉗位器

當(dāng)MOSFET關(guān)斷時，5.8V穩(wěn)壓器通過漏極電壓的電流將旁路端外接電容CBP充電到5.8V。當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時，TinySwitch?II就消耗存儲在CBP中的能量。TinySwitch?II內(nèi)部電路的功耗極低，使其能利用漏極電流連續(xù)工作。選擇0.1μF的旁路電容即可實現(xiàn)高頻去耦及能量的存儲。此外，外部電阻還向BP端提供電流，當(dāng)BP端達(dá)到6.3V的鉗位電壓時，就關(guān)閉5.8V穩(wěn)壓器，以降低芯片的空載損耗。

（4）極限電流檢測電路

TinySwitch?II的極限電流參數(shù)值見表3。極限電流檢測電路用來檢測功率MOSFET的漏極電流ID是否達(dá)到極限值。在每個開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)ID達(dá)到ILIMIT時功率MOSFET就在此周期的剩余時間內(nèi)關(guān)斷。

表3TinySwitch?Ⅱ的極限電流單位：（mA）

在EN／UV端與直流高壓端UI之間接一只欠壓保護電阻，即可監(jiān)測UI值是否欠壓。當(dāng)UI低于設(shè)定值時，欠壓檢測電路就將旁路端電壓UBP從正常值（5.8V）降至4.8V，強迫功率MOSFET關(guān)斷，起到保護作用。

（6）自動重啟動

一旦發(fā)生輸出過載、輸出短路或開路故障時，TinySwitch?II能自動重啟動，直至排除故障后轉(zhuǎn)入正常工作狀態(tài)。自動重啟動頻率為1.2Hz。圖4示出接上欠壓保護電阻后，當(dāng)輸出端短路時的自動重啟動電路波形，在每個開關(guān)周期內(nèi)禁止功率MOSFET工作的時間將超過850ms。一旦欠壓故障被排除掉，芯片又恢復(fù)正常工作。

TinySwitch?II用做待機電源時，可在EN／UV端接上2MΩ欠壓保護電阻，使待機電源具有慢關(guān)斷特性，時序波形分別如圖5所示。其特點是當(dāng)UI降至0V時，漏極電壓UD要經(jīng)過一段時間才緩慢降至0V。不接欠壓保護電阻時，UD和UI是同時降到0V的。