超宽输入范围工业控制电源的研究与设计

在设计工业控制的辅助电源时，可采用美国PI公推出的TinySwitch-Ⅲ系列第三代微型开关电源。目前，世界通用的交流输入电压范围是u＝85～265V。但是当18V＜u＜75V时，芯片就无法提供足够的偏压以维持正常工作，这就大大限制了TinySwitch-Ⅲ系列产品在低压领域的应用。为解决上述难题，使TinySwitch-Ⅲ在超低交流输入电压下也能正常工作，就需要从外部设计一个悬浮式高压恒流源。

TinySwitch-Ⅲ系列产品的性能特点

TinySwitch-Ⅲ系列产品包括TNY274P～TNY280P、TNY274G～TNY280G等共14种型号。该系列产品主要有以下特点：

● TinySwitch-Ⅲ系列产品的最大输出功率为36.5W（TNY280P/G型）。通过选择BP/M端的电容量，可从外部设定内部漏极限流点。该系列产品中除TNY274P/G之外，每种型号都有3种不同的极限电流值可供用户选择。其优点是在用相邻型号进行替换时，无须重新设计高频变压器，也不用改变外围元件。

● 用户可分别从实现电源效率最大化、获得最大输出功率的角度来优化电源设计。选择较高的漏极限流点可获得更高的峰值功率，或者在敞开式电源模块中得到更高的连续输出功率；而较低的极限电流值可提高密封式电源适配器/电池充电器的效率。

● 传统的脉宽调制（PWM）式开关电源的效率随负载的减轻而明显降低。TinySwitch-Ⅲ则采用开/关控制方式，能满足对待机电源及空载功耗节能标准的要求，空载功耗低于150mW；增加偏置绕组后可降到50mW以下。

● 具有输入欠电压保护、输出过电压保护和功率开关管自适应导通时间延长功能。

TinySwitch-Ⅲ系列微型开关电源的工作原理

TinySwitch-Ⅲ的内部框图如图1所示，其中，S、D分别为内部功率MOSFET的源极与漏极（4个源极在内部连通）。EN/UV为“使能/欠电压”双功能引出端，正常情况下，通过该端可控制功率MOSFET的通、断；若在该端与直流输入电压之间连接一只外部电阻，即可检测输入是否欠电压。BP/M为旁路/多功能端，单纯作旁路端使用时，该端与地（S极）之间接0.1μF的旁路电容。BP/M端还具有多功能端的特性：首先是改变旁路电容的容量，即可设定漏极限流点；其次，该端还能提供关断功能，具体方法是在反馈电压的输出端与BP/M端之间接一只稳压管，即可实现输出过电压保护。



图1 TinySwitch-Ⅲ的内部框图

TinySwitch-Ⅲ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。内部主要包括振荡器，5.85V稳压器，旁路端钳位用的6.4V稳压管，使能检测与逻辑电路，极限电流状态机，欠电压、过电流及过热保护电路和自动重启动计数器。

TinySwitch-Ⅲ的极限电流ILIMIT与旁路电容CBP的对应关系见表1。以TNY279P/G为例，当旁路电容CBP＝0.1μF时，选择标准极限电流ILIMIT＝650mA（典型值，下同）；当旁路电容CBP＝1μF时，选择较低的极限电流ILIMIT-＝550mA；当旁路电容CBP＝10μF时，选择较高的极限电流ILIMIT＋＝750mA，三者之间依次相差100mA。这种设计的最大优点是能保证相邻型号之间具有良好的兼容性。例如，TNY279P/G的ILIMIT-＝550mA，这恰好是相邻型号TNY278P/G的极限电流值；而TNY279P/G的ILIMIT＋＝750mA，这正是相邻型号TNY280P/G的极限电流值，余者类推。



超宽输入范围的工业控制电源的电路设计

由TinySwitch-Ⅲ系列产品TNY280P构成3W超宽输入范围的工业控制电源的电路如图2所示。该电源的显著特点是交流电压输入范围极宽（18～265V），输出电压为＋5V，输出电流为600mA。电源效率可达65%，当交流输入电压为230V时的空载功耗低于200mW。该电源的应用领域包括工业控制所用的辅助电源。



图2 由TNY280P构成3W超宽输入范围的工业控制电源的电路

TinySwitch-Ⅲ系列产品能够正常启动和工作的最低漏极电压为50V。通常情况下，当交流输入电压u＞85V时，芯片可提供自供偏压。但是当18V＜u＜75V时，芯片就无法提供足够的偏压以维持正常工作，这就大大限制了TinySwitch-Ⅲ系列产品在低压情况下的应用。为解决上述难题，使TinySwitch-Ⅲ在超低交流输入电压下也能正常工作，需要从TNY280P外部增加一个悬浮式高压电流源，以便在低压时给旁路端BP/M继续供电。悬浮式电流源的电路如图3所示。它包括7.5V稳压管VDZ1（1N5236B）、PNP型晶体管VT1（ZTX558）、NPN型晶体管VT2（ZTX458）、二极管VD2和VD4、电阻R4～R6。其中，VD2为半波整流管；VD4为隔离二极管，可将电流源与其他电路隔离开。


图3 悬浮式电流源的电路

ZTX558和ZTX458均为英国Zetex半导体公司（Zetex Semiconductors）生产的高反压晶体管。其中，ZTX558属于PNP型高反压晶体管，主要参数为当基极开路时集电极-发射极的反向击穿电压U(BR)CEO＝－400V，当发射极开路时集电极–基极的反向击穿电压（亦即集电结反向击穿电压）U(BR)CBO＝－400V，最大集电极电流ICM＝－200mA，共发射极电流放大系数hFE≤300，最大功耗PCM＝1W。ZTX458则属于NPN型高反压晶体管，主要参数为U(BR)CEO＝400V，U(BR)CBO＝400V，最大集电极电流ICM＝300mA，hFE≤300，PCM＝1W。

18～265V的交流电压经过VD2半波整流后，得到呈脉动直流的偏置电压UB，加至悬浮式电流源的输入端。该电流源能在整个输入电压范围内向TNY280P的BP/M端大约提供600μA的恒定电流。首先假定该电路只用晶体管VT2，则可认为由稳压管VDZ1给VT2的基极提供一个参考电位UB2。由于VT2的发射结电压（UBE2）与R5上的压降（UR5）之和就等于稳压管的稳定电压值UZ，而当环境温度不变时UBE2近似为恒定电压，因此UR5也为一个固定电压，利用R5即可设定恒流值。然而，实际上交流输入电压的范围很宽，由稳压管提供的偏置电流的变化范围很大，这会导致所设定的恒流值发生偏移。要克服上述难题，需要由PNP型晶体管VT1和R4再提供一个恒定的偏置电流。令VT1的发射结电压为UBE1，通过R4所设定的恒定偏置电流IB1＝UBE1/R4。显然，IB1不受输入电压变化的影响。

偏置电压（UB）与总偏置电流（IB）的关系曲线如图4所示。由图可见，VT2在较低输入电压下提供恒定偏置电流IB2，而VT1在较高输入电压下提供恒定偏置电流IB1。具体可分为以下3种情况：



图4 偏置电压与总偏置电流的关系曲线

1 当偏置电压UB≈50V（即整流滤波后的直流输入电压UI≈50V）时，由VT2给TNY280P提供恒定的偏置电流IB2，此时总偏置电流IB＝IB2。

2 当偏置电压UB＞50V时，流过VT2的电流将线性地减小，而流过VT1的电流线性地增大，此时由VT1、VT2共同给TNY280P提供恒定的偏置电流，总偏置电流IB＝IB1＋IB2，其中的IB2＞IB1。

3 当偏置电压达到最大值（UB＝375V）时，主要由VT1提供恒定的偏置电流，IB＝IB1＋IB2，但其中的IB1＞IB2。

该电路所提供的总偏置电流IB≈600μA。

18～265V交流输入电压经过由VD1、C1和C2组成的半波整流滤波电路，获得直流输入电压UI，为反激式开关电源提供高压直流。C1、C2还与电感器L构成π形滤波器，用于降低串模电磁干扰。在高频变压器的一次绕组与二次绕组之间使用了Y电容C7，可滤除共模干扰。一次侧钳位电路由VD3（1N4007GP）、R1、R2和C3组成。整流管VD5采用BYV27-200型2A/200V的超快恢复二极管，其反向恢复时间trr＜25ns。输出电压由稳压管VDZ2、光耦合器PC817A中的LED压降之和来设定。VDZ2采用4.3V稳压管1N5229B，LED的正向压降近似为1V，所设定的空载输出电压为5.3V。

TNY280P采用开/关控制方式，它经过光耦合器来接收二次绕组的反馈电压，再通过使能或禁止内部MOSFET的开/关，使输出电压保持稳定。一旦从EN/UV端流出的电流超过关断阈值电流（115μA），将跳过开关周期；当EN/UV端流出的电流小于关断阈值电流时，开关周期将重新使能。