TinySwitch II系列第二代微型單片開關電源的原理
TinySwitch II系列第二代微型單片開關電源的原理
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電源集成電路。該系列產品包括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系列的產品分類及性能特點
1.1產品分類
產品分類見表1
表1TinySwitch?II系列產品的分類及最大連續(xù)輸出功率POM
產品型號 固定交流輸入電壓（230V±15％） 寬范圍交流輸入電壓（85V～265V）
密封式電源模塊 敞開式電源 密封式電源模塊 敞開式電源
TNY264PTNY264G 5.5 9 4 6
TNY266PTNY266G 10 15 6 9.5
TNY267PTNY267G 13 16 8 12
TNY268PTNY268G 16 23 10 15
1.2性能特點
與第一代產品TinySwitch（TNY253～TNY255）相比，它除了保留結構簡單、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。當交流輸入電壓達到最大值265V，空載時芯片的功耗一般低于50mW。TinySwitch系列產品的最大輸出功率為10W（TNY255P／G型），TinySwitch?II系列產品則提高到23W（TNY268P／G型）。開關頻率也從44kHz提高到132kHz，這不僅能提高電源轉換效率，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定輸入電壓的欠壓閾值，消除了在待機電源等應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
功能 TinySwitchTNY254 TinySwitch?ⅡTNY264、266～268 TinySwitch?Ⅱ的優(yōu)點
開關頻率 44kHz±10％ 132kHz±6％ ①減小高頻變壓器的體積②提高開關電源的效率③改善穩(wěn)壓性能④降低開關電源成本
開關頻率的溫漂誤差 ＋8％ ＋2％
開關頻率抖動量 —— ±4kHz ①抑制電磁干擾②降低濾波元件成本
對由高頻變壓器產生的音頻噪聲進行衰減 —— 有 有效濾除浸漆變壓器的音頻噪聲，變壓器無須采用特殊結構或膠合劑
輸入欠壓檢測 —— 用一只電阻設定欠壓閾值UUV ①保護功能更加完善②能抑制開/關噪聲
漏極極限電流的偏差 ±9.8％(25℃) ±6.8％(25℃) ①提高輸出功率②簡化了大批量生產的制造工藝
在0～100℃范圍內極限電流的溫漂 －8％ 0％
自動重啟動 —— 有 ①限制了短路輸出電流，使之小于滿載電流②當控制環(huán)路出現(xiàn)開環(huán)故障時，能對負載起到保護作用③外圍電路中無須再增加元件
旁路端的電壓鉗位保護 —— 內部設有鉗位用的6.3V穩(wěn)壓管 允許器件從初級輔助繞組獲得能量，降低了芯片的功耗
所用封裝的漏極防漏電距離 0.94mm 3.48mm 防止D?S管腳之間因落有灰塵、雜物而造成高壓漏電
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）內部還增加了6.3V的鉗位保護電路。
（4）新增加了開關頻率抖動（frequencyjittering）
功能，能濾除浸過清漆的普通高頻變壓器產生的音頻噪聲，并防止電源的開關噪聲，還能快速上電而無過沖現(xiàn)象。TinySwitch?II的開／關控制器的調節(jié)速度比一般的脈寬調制器（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（±25／255）％=±9.8％。這表明，用TNY264P／G代替TNY254P／G來設計開關電源時，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。考慮到它有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，它們都與內部MOSFET的源極連通。D為內部功率MOSFET的漏極引出端，為啟動和穩(wěn)定工作提供了內部工作電流。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(tǒng)的PWM控制器不同，它采用一個簡單的開/關控制器來調節(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”的關系，任何一路均可單獨將MOSFET關斷。
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?shù)臉O限電流閾值。當漏極電流ID逐漸升高并達到ILIMIT值或者占空比達到最大值Dmax時，使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僅在很少時間內導通，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UO↑時，LED開始導通，將EN／UV腳電壓置成低電平，使功率MOSEFT關斷，通過減小占空比來使UO↓，最終達到穩(wěn)壓目的。為改善穩(wěn)壓性能，亦可用可調式精密并聯(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
振蕩器的頻率均設置為132kHz。它能產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關斷。但在接近于最大負載時，即便使能電路不起作用，功率MOSFET在此周期內仍然導通，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在音頻范圍內起到開關作用。從而降低了高頻變壓器產生的音頻噪音。
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MOSFET關斷時，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MOSFET導通時，TinySwitch?II就消耗存儲在CBP中的能量。TinySwitch?II內部電路的功耗極低，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BP端達到6.3V的鉗位電壓時，就關閉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是否達到極限值。在每個開關周期內，當ID達到ILIMIT時功率MOSFET就在此周期的剩余時間內關斷。
表3TinySwitch?Ⅱ的極限電流單位：（mA）
型號 TNY264PTNY264G TNY266PTNY266G TNY267PTNY267G TNY268PTNY268G
極限電流典型值：ILIMIT 250 350 450 550
極限電流最小值：ILIMIT(min) 233 325 419 512
極限電流最大值：ILIMIT(max) 267 375 481 588
（5）欠壓檢測電路
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UI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。
（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，當輸出端短路時的自動重啟動電路波形，在每個開關周期內禁止功率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斷特性，時序波形分別如圖5所示。其特點是當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。
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