TinySwitch Ⅱ及其在待機電源中的應用

1　引言
　　近年來，單片開關電源以其構成電源系統的低成本、高可靠性和設計靈活性等優點越來越受到電源設計者的歡迎。TinySwitch－Ⅱ系列是美國Power Integrations公司繼TinySwitch之后，最新推出的第二代增強型高效小功率隔離式開關電源用集成電路，該系列產品包括TNY264P/G，TNY266P/G，TNY267P/G，TNY268P/G，共8種型號。TinySwitch-Ⅱ是TinySwitch的改進產品，用它構成電源系統時，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、高效率的應用場合，如移動電話充電器、PC機及電視機待機電源、AC適配器、設備控制和網絡終端等。
2　TinySwitch-Ⅱ的性能特點
　　TinySwitch-Ⅱ和TinySwitch一樣具有簡單的拓撲電路，但最大輸出功率由10W提高到23W。TinySwitch-Ⅱ不僅象TinySwitch一樣將700V功率MOSFET，振蕩器，高壓開關電流源，流限和熱關斷電路集成到了單片器件內，由漏極電壓提供啟動和工作能量，不需要變壓器偏置繞組及相關電路，而且還在器件內結合了自動重啟動、輸入欠壓檢測和頻率抖動功能。這種設計有效地消除了音頻噪聲。全集成的自動重啟動電路將輸出短路或控制環開路等故障情況下的輸出功率限制在安全范圍內，既限制了短路輸出電流也保護了負載、同時減少了元件數，降低了次級反饋電路的成本。線路欠壓門限可用一只檢測電阻外部設定，從而消除了在待機電源等應用中，由于輸入存儲電容緩慢放電而產生的電源掉電故障。開關頻率從44kHz提高到132kHz，允許使用低價格、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，同時它的132kHz的工作頻率是抖動的，可以顯著降低準峰值和平均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系列單片開關電源采用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，為啟動和穩態工作提供內部工作電流；
　　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兩個功能，正常工作時，通過此引腳可控制功率MOEFET的通斷（當該腳的電流大于240μA時將功率MOSFET關斷），此引腳還通過與輸入直流高電壓相連的外部電阻來檢測欠壓情況，若該引腳沒有與外部電阻相連，則沒有輸入欠壓功能；
　　源極（S）引腳　　控制電路的公用點，連接到內部MOSFET的源極，4個源極在內部是相連通的，它們被劃分成兩組，其中2個S端須接控制電路的公共端，另2個S（HVRTN）端則接高壓返回端，其典型應用電路如圖2所示。

圖2　典 型 應 用 電 路

4　工作原理
　　圖3為TinySwitch-Ⅱ的功能框圖。其內部集成了一個耐壓為700V的功率MOSFET和一個開/關控制器。與傳統的PWM控制器不同，它使用一簡單的開/關控制器來穩定輸出電壓。振蕩器的頻率為132kHz，振蕩器中還增加了頻率抖動電路，抖動量為±4kHz，該功能使EMI的均值和準峰值噪聲均較低。

圖3　功 能 框 圖

　　TinySwitch-Ⅱ通常是工作在極限電流的模式下。啟動時，它在每個時鐘周期的起始對EN/UV引腳信號取樣，然后根據取樣結果決定是否跳過周期或跳過多少個周期，同時確定適當的極限電流閾值。當漏極電流I_D逐漸升高并達到I_LIMIT值或占空比達到最大值D_maxx時，使功率MOSFET關斷。滿載時TinySwitch-Ⅱ在大部分周期內導通，中等負載時則要跳過一部分周期并開始降低I_LIMIT值，以維持輸出電壓穩定，輕載或空載時，則幾乎要跳過所有周期并且進一步降低I_LIMIT值，使功率MOSFET僅在很短時間內導通，以維持電源正常工作所必需的能量。這本質上是引入了PFM調制的原理。另外，在輕負載狀態下，當開關頻率有可能進入音頻范圍內時，流限狀態調節器以非連續方式降低流限，較低的流限值使得開關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輸出設定為1.0V的低阻抗源級跟隨電路，流經該電路的電流被限制在240μA，當流出此引腳的電流超過240μA時，使能電路的輸出端會產生邏輯低（禁止）。連接在直流電源和EN/UV引腳間的外接電阻可用于監測直流輸入電壓，當電壓低于設定值時，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關斷，起到保護作用；當輸出MOSFET關斷時，5.8V穩壓器通過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MOSFET導通時，TinySwitch-Ⅱ消耗存儲在旁路電容中的能量；另外，TinySwitch-Ⅱ中還有一個6.3V并聯穩壓器，當電流經外部電阻注入旁路引腳時，穩壓器將旁路引腳電壓箝位在6.3V，這樣能方便地通過偏置繞組對TinySwitch-Ⅱ外部供電，將空載功耗降至約50mW。
　　當發生輸出過載，輸出短路或開環故障時，TinySwitch-Ⅱ能自動重啟動，直至排除故障后轉入正常工作狀態；極限電流檢測電路用來檢測功率MOSFET的漏極電流是否達到極限值，在每個開關周期內當電流達到極限電流ILIMIT時功率MOSFET就在此周期的剩余時間內關斷；TinySwitch-Ⅱ的旁路引腳上僅需0.1μF的電容，由于電容小，充電時間極短，一般為0.6ms，因此上電過程迅速且電源輸出無過沖。當EN/UV引腳和直流輸入的正極間接了外部電阻（2MΩ）時，上電期間功率MOSFET的開關將被延遲到直流電壓超過門限值（100V）以后。斷電時，如果使用了外接電阻，功率MOSFET在輸出失調后仍將繼續開關50ms，該特性在用做待機電源時，使待機電源具有緩慢關斷的特性。
5　　TinySwitch-Ⅱ在待機電源中的應用
　　圖4是一基于TNY267P，功率為15W的PC機待機電源電路，該電路提供兩路輸出：主輸出5V,3A和初級輔輸出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，線路檢測電阻R₂和R₃檢測直流輸入電壓是否出現欠壓。R₂和R₃組合的阻值為4MΩ，將上電時的欠壓門限設為DC 200V，一旦開啟電源，只要整流直流輸入電壓高于140V，它都將繼續工作，直到降到低于140V才關機，這種設計方案可為待機電源提供所需的保持時間。輔助初級繞組生成12V輸出電壓供電源初級控制器使用，另外，此電壓還用于通過R₄向TinySwitch-Ⅱ供電。從外部向TinySwitch-Ⅱ供電（盡管不是必須），由于不再使用內部漏級驅動電流向旁路引腳電容C₃充電，從而能降低器件的靜態功耗。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，多余的電流由片內的穩壓管安全地箝位在6.3V。次級繞組由D₃和C₆整流濾波，由于自動重啟動功能限制短路輸出電流，因而勿須使用更大的D₃，L₁和C₈實現開關噪聲濾波。光耦U₂和VR₁用于5V的輸出檢測，R₅用以給穩壓管提供偏置電流。由于TinySwitch-Ⅱ限制了光耦LED電流的動態范圍，使穩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機待機電源電路

6　　結語
　　本文通過討論TinySwitch-Ⅱ的工作原理及主要性能特點，表明在小功率開關電源應用中，它具有元件數少，成本低，體積小，可靠性和效率高等優點，有著廣泛的應用前景。