7.5W連續(xù)、13W峰值DVD/機頂盒電源設(shè)計解析

作為電子工程師，在設(shè)計電源時，我們常常面臨著諸多挑戰(zhàn)，如高效能、低功耗、良好的交叉調(diào)節(jié)等。今天，就來和大家詳細探討一下Power Integrations公司基于TNY376PN設(shè)計的一款7.5W連續(xù)、13W峰值的DVD/機頂盒電源。

文件下載：RDK-115.pdf

一、電源概述

這款電源是一個四輸出反激式電源，可作為TinySwitch - PK的通用評估平臺。它能滿足85 - 265VAC輸入，輸出為3.3V（500mA）、5V（500mA）、12V（250mA）和 - 12V（30mA），適用于DVD/機頂盒等設(shè)備。

二、電源規(guī)格

輸入?yún)?shù)

輸入電壓范圍為85 - 265VAC，頻率為47 - 64Hz，在230VAC無負載輸入功率小于0.3W。

輸出參數(shù)

• 3.3V輸出：電壓范圍3.135 - 3.465V，紋波電壓最大100mV（20MHz帶寬），輸出電流范圍0.1 - 0.6A。
• 5V輸出：電壓范圍4.75 - 5.35V，紋波電壓最大66mV，輸出電流范圍0.2 - 0.6A。
• 12V輸出：電壓范圍10.8 - 13.8V，紋波電壓最大240mV（20MHz帶寬），輸出電流范圍0.1 - 0.64A。
• - 12V輸出：電壓范圍 - 10.8 - - 13.8V，紋波電壓最大240mV（20MHz帶寬），輸出電流為0.03A。 連續(xù)輸出功率為7.5W，峰值輸出功率為13W。

其他參數(shù)

• 待機輸入功率小于1W（Pout = 0.5W，264VAC），無負載輸入功率小于300mW（264VAC）。
• 傳導EMI符合CISPR22B/EN55022B標準，安全設(shè)計滿足IEC950、UL1950 Class III要求，能承受2kV（1.2/50μs浪涌，IEC 1000 - 4 - 5，Class III）和2.4kV（100kHz振鈴波，200A短路電流，12ohm共模；500A 2ohm差模）的浪涌，環(huán)境溫度范圍為0 - 50°C。

三、電路設(shè)計

輸入EMI濾波

為滿足輸出返回連接到安全接地時的傳導EMI要求，采用了由C1、L1和C4組成的π濾波器以及電容C8。L1選用共模電感，利用U4的開關(guān)頻率抖動特性和變壓器的E - Shield?技術(shù)，可簡化設(shè)計。此外，電路板上預(yù)留了X類電容C3，但并非必需。

TinySwitch - PK初級

TNY376（U4）是一款集成芯片，包含700V功率MOSFET、低壓CMOS控制器、高壓電流源、滯回熱關(guān)斷和自動重啟功能。正常工作時，整流濾波后的輸入電壓加在變壓器T1初級繞組一側(cè)，另一側(cè)連接U4的DRAIN引腳。當電壓加在U4的DRAIN和SOURCE引腳時，內(nèi)部高壓電流源為連接到BYPASS/MULTIFUNCTION（BP/M）引腳的電容C19充電。當C19電壓達到5.8V時，控制器使能MOSFET開關(guān)。MOSFET電流通過Drain - Source電阻（RDS(ON)）上的電壓進行內(nèi)部檢測，當電流達到預(yù)設(shè)的電流限制閾值（ILIMIT）時，控制器關(guān)斷MOSFET。

控制器通過跳過開關(guān)周期（ON/OFF控制）來調(diào)節(jié)輸出電壓。在正常工作時，當EN/UV引腳流出的電流大于90μA時，MOSFET開關(guān)禁用；小于90μA時，MOSFET開關(guān)使能。在滿載時，跳過的開關(guān)周期較少，有效開關(guān)頻率高；負載減小時，跳過的開關(guān)周期增多，有效開關(guān)頻率降低，從而實現(xiàn)低空載功耗。

TinySwitch - PK還能在短時間內(nèi)提供額外的輸出功率。當MOSFET連續(xù)14個時鐘周期（132kHz）開關(guān)時，ILIMIT增加，MOSFET以264kHz開關(guān)；若MOSFET在連續(xù)12個時鐘周期（264kHz）內(nèi)被禁用，則恢復(fù)到132kHz的正常工作模式。

為限制漏感引起的峰值漏極電壓尖峰，D5、R5、VR1、R7和C2組成鉗位網(wǎng)絡(luò)，兼具RCD鉗位的低EMI性能和齊納鉗位的能量效率。

輸出反饋

+3.3V和 + 5V輸出電壓通過R15和R16的電流總和進行調(diào)節(jié)，U3將通過R13的組合電流調(diào)節(jié)在2.5V。當R13上的電壓變化時，U3改變光耦U2A（LED）的電流，進而成比例地改變U2B（晶體管）的電流。若U2B的集電極電流大于90μA，U4將跳過下一個開關(guān)周期。通過R15和R16檢測輸出電壓有助于改善這些輸出之間的交叉調(diào)節(jié)。±12V輸出通過變壓器的匝數(shù)比進行交叉調(diào)節(jié)。可選電容C7提供軟啟動，降低啟動時的輸出電壓斜率。

旁路/多功能引腳

TinySwitch - PK的BP/M引腳可用于設(shè)置初級開關(guān)周期的峰值電流限制。通過選擇連接到BP/M引腳的電容值（1.0μF、0.1μF和10μF），可將峰值電流閾值設(shè)置為最小、典型和最大水平。

四、PCB布局與物料清單

PCB布局

合理的PCB布局對于電源的性能至關(guān)重要。該電源的PCB布局經(jīng)過精心設(shè)計，確保各元件之間的電氣連接良好，減少干擾。

物料清單

詳細列出了電源所需的各種元件，包括電容、電阻、二極管、電感、變壓器等。例如，電容C1和C4為22μF、400V的電解電容，L1為5mH的共模電感，U4為TNY376P等。這些元件的選擇和參數(shù)設(shè)置都是為了滿足電源的性能要求。

五、變壓器設(shè)計

電氣規(guī)格

• 電氣強度：60Hz，1秒，引腳1 - 5到引腳6 - 12之間為3000V ac。
• 初級電感：引腳1到引腳4，其他繞組開路時為0.813mH ± 12%（132kHz測量）。
• 諧振頻率：引腳1到引腳4，其他繞組開路時最小為300kHz。
• 初級漏感：引腳1到引腳4，引腳6 - 12短路時最大為30μH。

材料與結(jié)構(gòu)

• 材料：采用EEL19磁芯（Nicera NC - 2H或等效），不同規(guī)格的磁線（#28AWG、#29AWG、#26AWG），以及各種膠帶和銅箔等。
• 結(jié)構(gòu)：變壓器的構(gòu)建過程包括繞線、絕緣、組裝等多個步驟。例如，從引腳8開始繞制屏蔽層W1，然后依次繞制初級繞組W2、偏置繞組W3等，每層之間都有相應(yīng)的絕緣措施。

六、性能數(shù)據(jù)

效率

在不同輸入電壓（85VAC、115VAC、230VAC、265VAC）和輸出功率下，電源的效率表現(xiàn)良好。同時，在2007年1月1日后在加州銷售的單輸出適配器需滿足加州能源委員會（CEC）的最低有源模式效率和無負載輸入功率要求，該電源在不同負載百分比下的效率均能滿足標準。

無負載輸入功率

隨著輸入線電壓的變化，無負載輸入功率較低，體現(xiàn)了電源的節(jié)能特性。

可用待機輸出功率

在不同輸入功率（1W、2W、3W）下，展示了輸出功率與線電壓的關(guān)系，為設(shè)計待機模式提供了參考。

調(diào)節(jié)性能

• 負載調(diào)節(jié)：在115VAC輸入、室溫條件下，各輸出電壓在最小到最大負載范圍內(nèi)的總變化符合要求。
• 線調(diào)節(jié)：在室溫、滿載條件下，各輸出電壓隨輸入電壓的變化較小，具有良好的穩(wěn)定性。

熱性能

在輸出加載到7.51W、環(huán)境溫度設(shè)置為50°C的情況下，測量了不同輸入電壓下的環(huán)境溫度和TNY376（U4）的溫度，結(jié)果顯示電源在高溫環(huán)境下仍能穩(wěn)定工作。

波形分析

通過對漏極電壓和電流、輸出電壓啟動曲線、負載瞬態(tài)響應(yīng)、輸出紋波測量和線路浪涌等波形的分析，進一步驗證了電源的性能。

七、總結(jié)

這款基于TNY376PN的電源設(shè)計在性能方面表現(xiàn)出色，具有良好的交叉調(diào)節(jié)、低空載功耗、高效能等優(yōu)點。在實際應(yīng)用中，電子工程師可以根據(jù)具體需求對電路進行優(yōu)化和調(diào)整。同時，我們也可以思考如何進一步提高電源的效率和穩(wěn)定性，以滿足不斷發(fā)展的電子設(shè)備需求。你在電源設(shè)計中遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗。