Tiny Switch 特 性 及 其 應 用

The Characteristics and Applications of Tiny Switch

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摘要：介紹應用于小功率開關電源的控制器件—TinySwitch的特點，并討論在待機電源和充電

器中的應用。

Abstract: The characteristics of Tiny switch which is used in low power switch mode power supply are introduced in this paper, and applications of Tiny Switch in stand－ by power Supply and Charger are dwelled on.

關鍵詞：逐周電流限制跳周期

Keywords:Cycle by cycle current limited， Jump cycle

1引言

　　中大功率開關電源在市場上占有較大份額，然而小功率開關電源在很多場合，例如在待機電源中是必不可少的。TinySwitch特別適用于為用戶提供10W以下的隔離型開關電源。

　　十多年以前以為用UC3842和MOSFET制作的分離元件開關電源，線路已較為簡單，但與其相比，TopSwitch制作的開關電源電路更加簡單。由于它們同樣是采用固定頻率PWM方式，其開關損耗幾乎與負載無關，導致輕載時電源效率明顯降低。而采用TinySwitch除電路非常簡單外，同時還具有高效率、低成本的顯著特點。

2TinySwitch（253/254/255系列）簡介

　　TinySwitch把控制IC和功率MOSFET集成在一起，實際上只需四個功能引腳。

　　（1）TinySwitch各引腳功能

　　?漏極（D）:功率MOSFET漏極，為起動和穩態工作提供工作電流。

　　?旁路（BP）：內接5.8V穩壓器，外接濾波電容。正常工作時，旁路電容在TinySwitch中MOSFET導通期間為控制電路提供能量。

　　?使能（EN）：功率MOSFET是否導通控制端。正常工作情況，EN端為高電平時，MOSFET導通；EN端為低電平時，MOSFET關斷。

　　?源極（S）：功率MOSFET源極。

　　（2）TinySwitch器件的突出特點

?內置芯片供電電源，省去外加輔助電源，可使輸出電壓不影響電路工作。

　　?控制方式采用逐周電流限制方式，可減小電流紋波。“跳周期”的工作方式通過改變有效的工作頻率，使開關損耗與負載呈線性比例，從而使不同負載情況下，電源均具有較高效率。

　　?內置過熱保護電路之超溫閉鎖功能，確保開關電源安全工作。

圖1功能框圖

3TinySwitch的特性

　　(1)TinySwitch控制方式

　　TinySwitch功能框圖如圖1所示。

　　芯片正常工作時，TinySwitch內部振蕩器周期性起動MOSFET，每個周期內，由限流電路檢測MOSFET的電流，并將其與門限值比較，當其超過門限(ILIMIT）時，功率MOSFET在此周期剩余時間內關斷。也就是說，當TinySwitch正常工作時，由限流電路對MOSFET進行逐周電流限制，以決定功率MOSFET在每個周期內的最大導通時間（tmax）。需要注意的問題是：MOSFET的電流是否會在tmax時間內達到門限（ILIMIT）呢？這一點只要在電源設計時，選擇的TinySwitch器件在最低的輸入電壓時滿足功率要求，經計算得出的變壓器初級電感便可使電流在tmax限制時間內逐漸升至門限值（ILIMIT）。

　　TinySwitch內部限流電路的門限值（ILIMIT）為常

（a）TinySwitch重負載工作

（b）TinySwitch中負載工作

（c）TinySwitch輕負載工作

圖2不同負載時的波形

數,內部振蕩器把MOSFET的開關頻率設定為常數，由于TinySwitch的門限值和頻率均為常數，利用其進行隔離型電源設計，次級的（最大）輸出功率亦為常數。

　　(2)TinySwitch工作模式

　　反激式開關電源的輸出功率與門限值、變壓器初級電感和開關頻率相關，即

P=0.5I2Lf（1）

　　那么，輸出功率一定的TinySwitch芯片是如何工作來滿足不同負載要求的呢？分析式（1），再結合芯片特點，即可以得出結論。由于TinySwitch門限值和變壓器初級電感均為常數，那么若想改變輸出功率P，只能著眼于開關頻率f，TinySwitch采用“跳周期”的工作方式，正是以改變功率MOSFET有效的開關頻率，以實現不同的功率輸出。

　　在分析TinySwitch是如何“跳周期”時，先了解一下芯片的EN引腳。參照圖1，使能引腳電路中有一個設定為1.5V的源極跟隨輸入。輸入電流被10μA滯回的電流源箝位。在振蕩器時鐘信號（每個周期之始）的上升沿，對使能檢測電路的輸出取樣，若為高電平，此周期接通功率MOSFET，否則功率MOSFET在相應周期保持截止，即跳過該工作周期，由于對EN引腳取樣僅在每個周期之始進行一次，周期中使能引腳上的其它變化可不予考慮。這樣，可以通過EN端電平的不同對芯片進行開/關控制。

　　于是，可以通過控制TinySwitch開/關頻率來獲得不同的次級輸出功率。滿載時，讓TinySwitch在大部分時鐘周期導通；不足滿載時，TinySwitch將“跳過”更多周期以保持次級輸出電壓穩定；在輕載或空載時，幾乎跳過所有周期，只有一小部分周期導通以供給電源的功率消耗。不同負載工作情況的波形見圖2。　　由于在不同輸出功率情況下，有效開關頻率不同，使得輸出功率不同，開關損耗也就不同。TinySwitch的開關損耗幾乎與輸出功率成線性比例，使得電源在各種輸出功率時都具有較高的效率。這是采用PWM方式開關模式電源（SMPS）望塵莫及的。應用TinySwitch進行設計的電源效率與一般開關模式電源的比較見圖3。

圖3輸出功率與效率關系

　　TinySwitch在跳周期時，振蕩器頻率通常加倍（TNY255仍將保持130kHz）。這增加了使能引腳取

樣率，使環路響應速度更快，對保證輸出電壓的穩定性非常有利。

　　(3)TinySwitch超溫閉鎖功能

　　參見圖1，TinySwitch內設熱關斷電路可檢測管芯結溫。熱關斷電路的門限為135℃，70℃滯回，當結溫上升至超過門限時（135℃），熱關斷電路關斷功率MOSFET，直到管芯結溫下降到70℃時才會令其重新導通。

4TinySwitch的典型應用—隔離型待機電源

　　用TinySwitch實現的小功率隔離型開關電源，體積小、成本低、設計電路簡單，其典型應用如圖4所示。

圖4典型的備用電源應用

　　圖4為TinySwitch與反激式離線變換電路相結合實現高壓DC輸入的小功率DC電源。通過在次級將輸出電壓與一個參考電壓相比較產生使能信號。參考電壓取決于一個光耦發光二極管與一個齊納二極管之和。當輸出電壓低于參考電壓時，使能信號為高電平，控制TinySwitch之MOSFET導通，為變壓器初級提供通路，向次級供電。當輸出電壓超過參考電壓時，光耦二極管導通，將使能腳置低電平，使相應周期MOSFET關斷，即MOSFET跳周期，從而保持輸出電壓穩定。

　　TinySwitch雖然工作于“跳周期”方式，但一旦一個周期開始，MOSFET總會完成整個周期，如此的工作方式使輸出電壓紋波由輸出電容、每個開關周期的能量和使能反饋的延時決定。TinySwitch通/斷控制電路的響應時間與一般的PWM控制相比非常迅速，這使得線路具有很好的紋波抑制性能和瞬間響應性能。

　　利用TinySwitch進行電源設計的另一個好處是不需要輔助電源，參見圖4與圖1，當MOSFET關斷時，5.8V穩壓器通過來自漏極的電流將連接到旁路引腳上的旁路電容充電至5.8V，當MOSFET導通時，TinySwitch消耗存儲在旁路電容上的能量，TinySwitch內部電路的功耗極低，使其能利用來自漏極引腳的電流連續工作。選取0.1μF的旁路電容已足以實現對高頻去耦和能量存儲。

5應用舉例—移動電話充電器

　　不需要輔助電源的特點，使TinySwitch特別適于做移動電話充電器。由于TinySwitch總是由輸入高壓供電，因而不需要偏置繞組。圖5顯示了一個使用TNY254的5.2V、3.6W移動電話充電器電路，在市電輸入電壓范圍內（85V至256V）提供恒定電壓和電流輸出。交流輸入經V1～V4、C1～C2整流濾波，產生與TYN254內高壓MOSFET串聯的高壓直流總線。電感L1與C1和C2一起構成?型濾波器。電阻R1用于衰減電感L1的諧振。TNY254的低工作頻率（44kHz）使其可以采用如上述簡單的?型濾波器與一個電容C8組合來滿足傳導EMI標準。V6、C4和R2組成箝位電路，將TinySwitch漏極引腳關斷電壓尖峰限制在安全值范圍內。次級繞組經V5和C5整流濾波提供5.2V輸出。L2和C6一起提供輔助濾波。輸出電壓由光耦V7的發光二極管的管壓降（約1V）和齊納二極管V9的電壓之和確定。電阻R8提供齊納二級管的偏置電流來改善電壓容差。用晶體管V8的UBE來檢測通過電流檢測電阻R4上的電壓，R3是一個基準電流限制電阻。當R4上的壓降超過晶體管V8的UBE時V8導通，并驅動光耦V7來取代環路控制。R6產生額外的壓降，使得控制環路工作輸出降至0V。由于輸出短路，R4和R6上的壓降足以保持V8和V7電路工作。電阻R7和R9限制了在輸出短路時，由R4和R6上的壓降產生的通過V9流入V8的正向電流。

圖53.6W恒壓恒流移動電話充電電路