单片式开关电源在电器控制系统中的应用

随着电力电子技术和PWM技术的迅速发展和不断完善,开关电源以其优越的性价比得到广泛应用.但是,市场调查和研究分析表明,由于分立式结构、可靠性及成本高等问题,目前小功率开关电源在家电领域的应用仍局限于声像及变频技术系列产品.此外,电磁兼容性的问题也是阻碍其应用推广的主要因素之一.近年来,高度集成的单片式开关电源控制芯片不断涌现,使上述问题得到了有效解决.本文根据多年的家用电器控制器方面的设计生产经验,针对冰箱、洗衣机以及空调等家用电器控制系统辅助电源的共同特点,以TNY268P系列单片隔离式智能集成芯片为核心,设计了一种通用性强、易于集成的专用开关电源电路.

1　电源电路设计

1.1　设计技术要求及系统结构
　　
根据对冰箱、空调等系列家用电器控制器辅助电源的特点分析,设计技术指标确定如下:输入电压为交流220V±15%,(50±1)Hz;输出电压分别为+5V(700mA)和+12V(500mA);为了提高家用电器控制器滤波效果和电源的可靠性,如需要在输出端增加三端稳压器,则实际输出电压应为+8V(700mA)和15V(500mA);输出电压的纹波峰峰值UP-P≤1%,其他电气性能要求满足相应国家标准.图1是采用TNY268P系列单片集成开关电源芯片设计的一种单输入双输出的通用开关电源电路,功率变换器拓扑采用易于多路输出的单端反激式结构,主要包括交流输入抗电磁干扰(EMI)滤波电路、整流电路、高频功率变压器、输出反馈电路、保护电路以及TNY268P电源芯片.


图1　开关电源设计原理图

1.2　TNY268P芯片介绍
　　
TNY268P系列芯片是美国Power Integration公司推出的第2代增强型单片隔离式高效小功率开关电源控制芯片,内部结构如图2所示.集成了一只700V的功率MOSFET振荡器、5.8V稳压电源、高压开关电流源，以及欠压、过流及热关断保护电路,具有自动重启动以及频率抖动等功能。由于漏极电压直接提供系统启动和工作所需能量,从而省略了变压器偏置绕组及相关电路.TNY268P系列芯片的特点不仅有利于简化外围电路设计、减少系统的损耗,而且能有效消除音频噪声,提高EMI能力,节约电源成本.

TNY268P系列芯片分为DIP-8和SMD-8两种封装形式.漏极D连接内部功率MOSFET的漏极,提供启动和稳态工作时的内部电流;源极S控制电路公共端内部连接MOSFET的源极;内部5.8V的稳压电源外接0.1μF旁路电容;正常工作时,使能输入/欠压检测端(EN/UV)控制MOSFET开关状态,当从该端流出的电流>240μA时,MOSFET关断.同时通过外接检测电阻检测输入电压条件.


图2　TNY268P系列芯片内部结构框图

1.3　外围电路设计及主要参数计算
　　
TNY268P系列芯片集成度高,内部保护功能较为完善,外围电路设计比较简单.它主要包括交流输入滤波电路、功率变压器、输出反馈电路、输入输出整流滤波电路以及保护电路的设计计算.

1.3.1　功率变压器的设计
　　
1)磁芯选择.高频变压器的设计包括功率变压器的工作模式确定、磁芯尺寸形状选择、原/副边绕组的参数计算及变压器的绕制等.TinySwitch有连续、不连续和完全不连续3种模式.为了降低电磁干扰,减小输出滤波电容的容量,本设计选择不连续工作模式.为了满足TNY268P芯片132kHz的工作频率,减小泄漏磁场,选用低成本的EE22型锰锌铁氧体磁芯.
　　
2)变压器参数计算.

①确定最大占空比Dmax

式中,Pomax为总输出最大功率;η为电源效率;VImin为初级绕组直流输入电压的最小值.

②计算KDP

KDP表示TinySwitch的关断时间与磁芯泄放能量时间的比例系数,其大小决定芯片的工作模式, KDP≥1工作在不连续模式.

式中,VOR为初级感应电压.

③原副边绕组的电感量及匝数.

式中,fs为开关频率.

式中,Al为磁芯的电感系数.同理可根据计算公式计算次级主输出绕组的匝数以及每匝电压值,以确定其他次级绕组的匝数.

④导线线径计算.

首先计算电流峰值和有效值,然后选取电流密度为400c.m./A,求出导线的横截面积;最后根据计算值再重新计算占空比,核算窗口面积是否满足设计要求.

3)变压器的绕制技术.
　　
高频变压器的绕制是电源设计的关键环节.绕制时必须注意初级绕组要绕在最里层且设计成两层以下,以减小初级绕组的分布电容和产生的电磁干扰,缩短导线的长度.为增强抗EMI的能力,反馈绕组可置于初、次级绕组之间.次级绕组以输出功率的大小为依据,功率大的靠近初级绕组以减小漏感,如果绕组匝数较少,应使绕组均匀充满整个骨架.

1.3.2　辅助电路的设计
　　
TNY268P系列芯片的内保护电路比较完善,外部保护电路的设计相对简单.除了过流保护、EMI滤波器外,主要是保护电路的输入欠压检测电路、散热设计等.

1)欠压电路设计
　　
TNY268P内部集成输入欠压检测电路,通过EN/UV端的外接电阻R2和R3监控输入电压.当输入电压较低或突然降低时,R2和R3检测电压值只要低于欠压阀值电压(AC170V),TNY268P自动关断,以达到保护目的.

2)钳位保护电路设计
　　
单片式开关电源属于单管电路,在TNY器件关断瞬间由变压器的漏感引起的尖峰电压较高,将会导致TNY器件的损坏.R1,D5和C5构成的RCD吸收回路使TNY器件的漏极电压限制在700V以下,防止TNY器件的损坏.另外为有效地降低音频噪声,设计时D5选高压稳压二极管VDz,C5选压电效应很小的聚脂薄膜电容;R1取100kΩ～150kΩ.

3)反馈电路设计
　　
由于该电源应用于电器控制系统,所以要求精度和稳定性较好.为满足设计要求,采用TL431型可调式精密并联稳压器,以提高输出电压的稳定性.电压反馈电路应从LC滤波器的前面引出,LC的谐振频率要高,以滤出开关噪声电压.

4)散热设计
　　
TNY268P芯片属于DIP-8封装,无需外接散热片,靠铜箔接地并起到散热作用,在PCB设计时需直接焊接在PCB上,并尽量增大敷铜面积,周围留足够的散热空间,必要时在其顶端用胶粘上散热片,增加散热效果.除上述所涉及的参数之外,还有输入、输出整流滤波电路的设计。

2　电磁兼容性设计
　　
电磁兼容性(EMC)已成为检验家电产品质量优劣的重要指标,开关电源工作在高频开关状态,其内部电压及电流的波形都是瞬变的,所产生的干扰主要有尖峰干扰、射频干扰和音频噪声,属于强噪声源,且频率越高噪声越大.从某种程度上说,电磁兼容性问题成了阻碍开关、电源在家用电器控制系统中推广应用的主要因素之一.因此,在家用电器控制系统的辅助电源设计中,研究电磁兼容性设计是重要环节.设计过程中还需要从以下几个方面考虑:

1)电磁干扰抑制.在交流输入加EMI滤波器,或带金属屏蔽外壳EMI滤波器,以避免电磁干扰发射.PCB布局时,EMI滤波器远离输出级;PCB板上的相关导线应尽量短而宽,尤其漏极的引线要尽可能短,从而最大限度地减小射频干扰.

2)瞬态干扰的抑制.瞬态干扰会造成单片开关电源输出电压的波动,严重时会损坏器件,必须采取措施加以抑制.交流采用三线输入方式,G端接通大地;在初、次级绕组之间并联一只安全电容C13,以减小级间耦合;初、次级绕组之间绕3～5层0.05mm厚的聚脂绝缘胶布,降低高频变压器的分布电容,减小瞬态峰值电流;提高整流桥耐压值并适当增加输入滤波器C1的容量;在交流进线端并联一只压敏电阻ZR1对浪涌电压进行钳位.

3)音频噪声的抑制.音频噪声主要由电容和高频变压器产生.采用特殊的胶合剂粘接磁芯,降低因磁芯之间产生相对位移而引起的音频噪声;选择磁通密度较低的磁芯,例如将磁通密度从0.3T减小到0.2T时,可使音频噪声降低10dB～15dB.

3　结论
　　
结合电器控制系统辅助电源的特点,采用TNY268P设计了双输出的单片式开关电源,并给出了设计步骤.本文从高频变压器、辅助电路以及电磁兼容性等方面对单片式开关电源进行了分析和工程设计,并在冰箱、洗衣机等电器控制系统进行了多次运行试验,结果表明,该电源在实际工作中性能稳定、工作可靠,通用性强,抗电磁干扰性能好,成本低、易于集成,能满足电器控制系统的技术要求.