TinySwitch-II及其在小功率开关电源中的应用

 TinySwitch-II系列是美国Power Integrations公司继TinySwitch之后,最新推出的第二代增强型高效小功率隔离式开关电源用芯片,该系列产品包括TNY264P/G、TNY266P/G、TNY267P/G、TNY268P/G,共8种型号。TinySwitch-II是TinySwitch的改进产品,用它构成的电源,成本比RCC、分立元件PWM和其它集成/混合式电源低且体积小、效率高、可靠性高,特别适合于要求低成本、高效率的应用场合,如移动电话充电器、PC机及电视机待机电源以及AC适配器、设备控制和网络终端等电源中。

1 TinySwitch-II的性能特点

　　TinySwitch-II和TinySwitch一样具有简单的拓扑电路,但最大输出功率由10W提高到23W。TinySwitch-II不仅象TinySwitch一样将700V功率MOSFET、振荡器、高压开关电流源、流限和热关断电路集成到了单片器件内,由漏极电压提供启动和工作能量,无需变压器偏置绕组及相关电路,而且还在器件内引进了自动重启动、输入欠压检测和频率抖动等功能。这种设计有效地消除了音频噪声。全集成的自动重启动电路将输出短路或控制环开路等故障情况下的输出功率限制在安全范围内,既限制了短路输出电流也保护了负载,同时减少了元件数,降低了次级反馈电路的成本。线路欠压门限可用一只检测电阻由外部设定,从而消除了待机电源等应用中因输入能量的存储电容缓慢放电而产生的电源掉电故障。开关频率从44kHz提高到132kHz,允许使用低价格、小尺寸的EF12.6或EE13型磁芯,从而减小了高频变压器的体积、提高了电源效率,同时它的132kHz的工作频率是抖动的,可以显著降低准峰值和平均EMI,从而使得滤波成本最低。另外,它还具有极高的能效和可靠性。

2 工作原理

　　图1为TinySwitch-II的功能框图。它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,它使用一简单的开/关控制器稳定输出电压。振荡器的频率为132kHz,振荡器中增加了频率抖动电路,抖动量为±4kHz,该功能使EMI的均值和准峰值噪声均较低。

　　TinySwitch-II通常是工作在极限电流的模式下。启动时,它在每个时钟周期的起始取样EN/UV引脚信号,然后根据取样结果决定是否跳过周期或跳过多少个周期,同时确定适当的极限电流阈值。当漏极电流ID逐渐升高并达到ILIMIT值或占空比达到最大值Dmax时,使功率MOSFET关断。满载时TinySwitch-II在大部分周期内导通;中等负载时则要跳过一部分周期并开始降低ILIMIT值,以维持输出电压稳定;轻载或空载时,则几乎要跳过所有周期并且进一步降低ILIMIT值,使功率MOSFET仅在很少时间内导通,以维持电源正常工作所必需的能量。这在本质上是引入了PFM调制的原理。另外,在轻负载状态下,当开关频率有可能进入音频范围内时,流限状态调节器以非连续方式降低流限,较低的流限值使得开关频率保持在音频以上,降低了变压器的磁通密度从而减轻了音频噪声。

　　EN/UV引脚的使能电路包含一个输出设定为1.0V的低阻抗源级跟随电路,流经该电路的电流被限制为240μA,当流出此引脚的电流超过240μA时,使能电路的输出端会产生逻辑低电平(禁止)。连接在直流电源和EN/UV引脚间的外接电阻可用于监测直流输入电压,当输入电压低于设定值时,欠压检测电路就将旁路端电压UBP从正常值5.8V降至4.8V,强迫功率MOSFET关断,起到保护作用。当MOSFET关断时,5.8V稳压器通过漏极电压抽取电流将旁路引脚上连接的旁路电容充电至5.8V;当MOSFET导通时,TinySwitch-II消耗存储在旁路电容中的能量。另外,TinySwitch-II中还有一个6.3V的电压箝位电路,当电流经外部电阻注入旁路引脚时,箝位电路将旁路引脚电压箝位在6.3V,这样能方便通过偏置绕组对TinySwitch-II外部供电,将空载功耗降至约50mW。

　　当发生输出过载、输出短路或开环故障时,TinySwitch-II能自动重启动,直至排除故障后转入正常工作状态。极限电流检测电路用来检测功率MOSFET的漏极电流是否达到极限值,在每个开关周期内,当电流达到极限电流ILIMIT时,功率MOSFET就在此周期的剩余时间内关断。TinySwitch-II的旁路引脚上仅需0.1μF的电容,由于电容小,充电时间极短,一般为0.6ms,因此上电过程迅速且电源输出无过冲。当EN/UV引脚和直流输入的正极间接了外部电阻(2MΩ)时,上电期间功率MOSFET的开关将被延迟到直流电压超过门限值(100V)以后。断电时,如果使用了外接电阻,功率MOSFET在输出失调后仍将继续开关50ms,该特性在用作待机电源时,使待机电源具有缓慢关断的特性。

3 TinySwitch-II在小功率电源中的应用

3.1 2.5W移动电话充电器

图2是一个基于TNY264的5V、0.5A的移动电话充电器电路,交流