1、基于 TinySwitch-II 的微型开关电源优化设计引言TinySwitch-II 系列产品用于 23W 以下小功率、低成本的高效开关电源。例如，IC 卡付费电度表中的小型化开关电源模块，手机电池恒压恒流充电器，电源适配器（Powersupplyadapter），微机、彩电、激光打印机、录像机、摄录像机等高档家用电器中的待机电源（Standbypowersupply），还适用于 ISDN 及 DSL 网络终端设备。使用 TinySwitch-II 便于实现开关电源的优化设计。由于其开关频率提高到 132kHz，因此高频变压器允许采用 EE13 或 EF12.6 小型化磁芯，并达到很高的电源
2、效率。TinySwitch-II 具有频率抖动特性，仅用一只电感（在输出功率小于 3W 或可接受的较低效率时，还可用两个小电阻）和两只电容，即可进行 EMI 滤波。即使在短路条件下，也不需要使用大功率整流管。1 TinySwitch-II 的典型应用1.1 2.5W 恒流恒压输出式手机电池充电器由 TNY264（IC1）构成的 2.5W（5V、0.5A）、交流宽范围输入的手机电池充电器电路，如图 1 所示。RF 为熔断电阻器。85V265V 交流电经过 VD1VD4 桥式整流，再通过由电感L1 与 C1、C2 构成的 型滤波器，获得直流高压 UI。R1 为 L1 的阻尼电阻。利用 TNY264
3、的频率抖动特性，允许使用简单的滤波器和低价格的安全电容 C8（Y 电容）即可满足抑制初、次级之间传导式电磁干扰（EMI）的国际标准。即使发生输出端容性负载接地的最不利情况下，通过给高频变压器增加屏蔽层，仍能有效抑制 EMI。由二极管 VD6、电容 C3 和电阻 R2 构成的钳位保护电路，能将功率 MOSFET 关断时加在漏极上的尖峰电压限制在安全范围以内。当输出电流 IO 低于 500mA 时，电压控制环工作，电流控制环则因晶体管 VT 截止而不起作用。此时，输出电压 UO 由光耦合器 IC2（LTV817）中 LED 的正向压降（UF1V）和稳压管 VDZ 的稳压值（UZ=3.9V）来共同设
4、定，即 UO=UFUZ5V。电阻 R8 给稳压管提供偏置电流，使 VDZ 的稳定电流 IZ 接近于典型值。次级电压经 VD5、C5、L2 和 C6 整流滤波后，获得5V 输出电压。TinySwitch-II 的开关频率较高，在输出整流管 VD5 关断后的反向恢复过程中，会产生开关噪声，容易损坏整流管。虽然在 VD5 两端并上由阻容元件串联而成的 RC 吸收电路，能对开关噪声起到一定的抑制作用，但效果仍不理想，况且在电阻上还会造成功率损耗。解决的办法是在次级整流滤波器上串联一只磁珠。磁珠（Magneticbead）是近年来问世的一种超小型的非晶合金磁性材料，它与铁氧体属两种材料。市售的磁珠外形与
5、塑封二极管相仿，外形呈管状，但改用磁性材料封装，内穿一根导线而制成的小电感。常见磁珠的外形尺寸有 2.53（mm）、2.58（mm）、35（mm）等多种规格。供单片开关电源使用的磁珠，电感量一般为几至几十 H。磁珠的直流电阻非常小，一般为 0.0050.01。通常噪声滤波器只能吸收已发生了的噪声，属于被动抑制型；磁珠的作用则不同，它能抑制开关噪声的产生，因此属于主动抑制型，这是二者的根本区别。磁珠可广泛用于高频开关电源、录像机、电子测量仪器、以及各种对噪声要求非常严格的电路中。图 1 中的滤波电感 L2，就选用 3.3H 的磁珠，可滤除 VD5 在反向恢复过程中产生的开关噪声。由晶体管 VT、
6、电流检测电阻 R4 和光耦合器 IC2 组成电流控制环。当输出电流 IO 接近于 500mA 时，由于 R4 上的压降升高，使晶体管 VT 的发射极电压 UBE 也随之升高，VT 进入放大区，此时电流控制环开始起作用，输出呈恒流特性。即使输出端发生短路故障，使得IO，UO0V，由于电阻 R6 和 R4 上的总压降约为 1.2V，仍能维持 VT 和光耦合器中 LED的正常工作。R3 为基极限流电阻。1.2 15W 的 PC 机待机电源电路一种输出功率为 15W 的 PC 机待机电源电路如图 2 所示。该电源可提供两路输出：主输出为5V、3A；辅助输出则为12V、20mA。总输出功率为 15.24
7、W,电源效率高于 78。电路中采用两片集成电路：TNY267P 型微型单片开关电源（IC1），SFH615-2 型线性光耦合器（IC2）。直流输入电压为 140V375V，这对应于交流输入电压为 230V15或者110115V 倍压输入的情况。利用 TNY267P 的欠压检测、自动重启动和高频开关特性，允许使用体积较小、价格较低的 EE22 型高频变压器磁芯。TNY267P 芯片采用的是 DIP-8 封装形式，它能滤除因输出滤波电容缓慢放电而引起自动重启动时，在输出电压波形上形成的毛刺。当输入电压低于欠压值时，TNY267P 就自动关断，起到保护作用；仅当输入电压高于欠压阈值时才工作。R2、R
8、3 为欠压阈值设定电阻。二者的总阻值选 4M 时，欠压阈值设定为直流 200V，整流后的直流高压 UI 必须高于 200V 时，才能开启电源。而一旦开启电源，就将持续工作，直到 UI 降至 140V 才关机。这种滞后式关机的特性，可为待机电源提供所需的保持（Holdup）时间。初级一侧的辅助绕组经 VD2、C2 整流滤波后，获得12V 输出电压，并通过 R4 给TNY267P 供电。正常工作时 TNY267P 内部漏极驱动的电流源也停止对外部旁路电容充电，以减少其间的静态损耗。选 R4=10k 时，可为旁路端提供 640A 的电流，这略高于TNY267P 的损耗电流，超出部分将被芯片内部的稳压
9、管钳位在 6.3V 的安全电压上。次级输出经 VD3、C6 和 C7 进行整流滤波。L 与 C8 构成后级滤波器，主要用来滤除开关噪声。当输出端短路时，自动重启动电路就限制了输出电流的增大，并且滤除了对 VD3的过冲电压。由光耦合器 IC2（SFH615-2）、稳压管 VDZ 对 5V 输出进行检测，R5 给稳压管提供偏置电流。2 电路设计要点2.1 使用注意事项（1）直流输入电压 UI 的最小值 UImin 可按 90V 来设计。输入宽范围电压（85V265V）时，输入级滤波电容 C1 的容量可按 3FW 的比例系数来选取；例如当输出功率 PO=10W 时，C1=30F。对于交流 230V1
10、5固定电压输入的情况，比例系数可取1FW。（2）为了降低损耗，提高电源效率，次级整流管宜采用肖特基势垒二极管（SchottkyBarrierDiode，英文缩写为 SBD），简称肖特基二极管。这种管子具有正向压降低（UF0.4V）、功率损耗小、反向恢复时间短（trr 可小到几 ns）等优点，适合用做低压、大电流整流或续流。（3）选择输出功率较大的 TinySwitch-II 芯片，有助于提高电源效率。例如在图 2 所示的电路中，选择 TNY267 时电源效率的下限值为 78；若采用 TNY266、TNY264，就依次降为 76、74。（4）在特定的应用中，TinySwitch-II 的最大输出
11、功率随热环境（包括环境温度，散热条件，通风状况以及电源采用密封式还是敞开式等因素）、高频变压器磁芯的尺寸、工作方式的设计（连续模式或不连续模式）、所需功率、输入电压的最小值、输入级滤波电容的容量、输出整流管的正向压降等条件而变化。（5）TinySwitchII 能滤除高频变压器产生的音频噪声。允许采用普通结构的浸漆变压器，磁芯之间也可以不用胶粘接。当开关电源随负载的减轻而产生音频干扰时，TinySwitchII 就通过不连续地减小极限电流值，以滤除音频噪声。（6）图 1 中的 LTV817 型线性光耦合器，可用 PC817 或 PC817A 来代替。它们的技术参数基本相同，电流传输比 CTR=
12、80160，反向击穿电压 U（BR）CEO35V。（7）在图 2 所示电路中，待机电源若选择 TNY266P 芯片，输出功率就降为 10W。此时可选 EE16 型高频变压器磁芯，并且还可以去掉滤波电容 C7。2.2 印制板设计要点TinySwitch-II 芯片的印制板元器件布置图，如图 3 所示，这里未使用欠压保护电阻。设计印制板时必须注意以下事项：（1）TinySwitch-II 下面的敷铜板不仅作为源极接地点，还起到散热作用。图 3 中阴影区域面积应足够大，才能保证 TinySwitch-II 和次级整流管散热良好，使芯片的结温低于 100。（2）旁路端电容 CBP 和输入滤波电容 C1
13、 必须采用单点接地法，接至源极端。连接C1、高频变压器和 TinySwitch-II 的初级回路应尽量短捷。（3）初级钳位电路用于限制关断时漏极上的峰值电压。可用 R、C、VD 型钳位电路来实现，亦可用 200V 稳压管或者瞬态电压抑制器（TVS）对漏极电压进行钳位。在任何情况下，都要使钳位元器件到高频变压器和 TinySwitch-II 的距离为最短。（4）若使用欠压检测电阻，应使电阻尽可能靠近 ENUV 端，以减少感应噪声。还需要考虑欠压检测电阻 R2 和 R3 的耐压值。选择（14）W 的电阻时，一般可承受 200V 电压（指连续加压，下同）；对（12）W 的电阻，耐压值则为 400V。（5）安全电容（Y 电容）应直接安装在初级滤波电容的正极与次级的公共地（返回端）之间，最大限度地抑制电磁干扰和共模浪涌电压。（6）光耦合器到 TinySwitch-II 的 ENUV 端和源极的距离应最短，以减小噪声耦合。ENUV 脚到光耦合器的距离应小于 12.7mm，到漏极的距离则应大于 5.1mm。（7）为提高稳压性能，连到次级绕组、次级整流管、次级滤波电容的的环路要尽量短。次级整流管的焊盘面积须足够大，以确保在输出短路的情况下能将整流二极管的热量及时散发掉。
