20W PC 待機電源設計：TNY290PG 方案解析

在電子設備的設計中，電源的性能直接影響著整個系統的穩定性和效率。今天我們就來深入探討一款基于 TinySwitch - 4 系列 TNY290PG 芯片的 20W PC 待機電源設計，看看它是如何滿足各種需求的。

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一、電源概述

這款電源設計圍繞 TNY290PG 芯片展開，目標是實現一個通用輸入的 5V、4A 電源。它不僅可以作為個人計算機（PC）電源的輔助或偏置電源，還能作為 TinySwitch - 4 設備的通用評估平臺。由于 PC 電源通常有功率因數校正（PFC）輸入級，而偏置電源需要在 PFC 級激活之前工作，所以該電源被設計為通用輸入操作。

二、電源規格

輸入參數

輸入電壓范圍為 90 VAC - 295 VAC（相當于 100 VDC - 420 VDC），輸入頻率為 47 - 64 Hz。在 230 VAC 無負載時，輸入功率小于 0.035 W。

輸出參數

輸出電壓為 5V，允許 ±5% 的波動范圍（即 4.75 - 5.25V），輸出電流為 4A，總輸出功率為 20W。輸出紋波電壓在 20 MHz 帶寬下不超過 50 mV。

效率要求

在輸出功率為 25°C、輸入電壓大于 90 VAC 且輸入無熱敏電阻的情況下，滿載效率達到 80% 以上，在 20%、50% 和 100% 輸出功率時的平均效率也需達到 80% 以上。

其他要求

該電源要滿足 CISPR22B / EN55022B 傳導 EMI 標準，能承受 1.2/50 μs 浪涌（差模 1 kV、共模 2 kV），設計符合 IEC950、UL1950 類安全標準，環境溫度范圍為 0 - 50°C。

三、電路設計

輸入整流和濾波

電路中的 F1、RT1、C1、L1 和 BR1 主要用于獨立測試。F1 保險絲可在短路故障時隔離轉換器與電源；RT1 熱敏電阻用于限制啟動時的浪涌電流；BR1 橋式整流器對輸入電源進行整流，并為大容量存儲電容 C2 充電。為了準確評估該電源在 PC 待機應用中的效率，建議將輸入熱敏電阻替換為跳線，并將 C2 電容值增加到與電路中 PFC 輸出電容相等。

TNY290PG 初級電路

TNY290PG 芯片集成了功率 MOSFET、振蕩器、控制、啟動和保護功能。鉗位電路（D1、VR1、R1 和 C3）可限制每次功率 MOSFET 關斷時 U1 漏極上出現的電壓，從而在輕載時提高效率。偏置/輔助電源繞組的輸出經 D3 二極管整流和 C4 電容濾波后，可為初級側的外部電路（如 PFC 和主轉換器控制電路）供電。電阻 R4 的值經過選擇，可將 IC 電源電流輸送到 BP/M 引腳，抑制內部高壓電流源對 BP/M 引腳電容（C9）的充電，從而降低輕載和無負載條件下的輸入功率消耗。電容 C16 用于對內部產生的 5.85V IC 電源電壓進行高頻去耦。通過選擇不同的 C9 電容值，可以設置 TNY290PG 的內部電流限制。

輸出整流

肖特基二極管 D4 負責輸出整流，C6 和 C7 是主要的輸出濾波電容，L2 和 C8 組成 LC 后置濾波器，可降低電源輸出中的開關紋波幅度，C8 還能改善瞬態響應。

輸出反饋

電阻 R6 和 R7 構成電壓分壓器網絡，將部分輸出電壓輸入到 TL431（U2）的輸入端。TL431 通過改變其陰極電壓來保持輸入電壓恒定（2.5V ±2%）。隨著陰極電壓的變化，U3 中 LED 和晶體管的電流也會改變。當 EN/UV 引腳電流超過閾值時，下一個開關周期將被禁用；當電流低于閾值時，開關周期將被啟用。隨著負載的減小，啟用的開關周期數量減少，從而降低有效開關頻率和開關損耗，使電源在輕負載下仍能保持幾乎恒定的效率，滿足能源效率要求。電容 C10 用于降低 U3 的增益，確保穩定運行；C11 可防止啟動時輸出電壓過沖。

UV 鎖定

電阻 R12 和 R13 連接在橋式整流器 BR1 的輸入和 U1 的 EN/UV 引腳之間，實現欠壓鎖定功能。當這些電阻起作用時，啟動將被抑制，直到流入 EN/UV 引腳的電流超過 25 μA。R12 和 R13 的值設置了啟動電壓閾值，可防止輸入電壓異常低（如交流輸入電容在關機期間放電）時輸出電壓出現故障。此外，當出現調節失效（如輸出過載或短路）時，會檢查 UVLO 狀態，有效鎖定 U1，直到輸入電壓被移除并重新施加。

過壓保護（OVP）

OVP 功能由 VR2 和 U1 內置的鎖存關斷功能實現。如果反饋回路因 U3 故障等原因變為開路，主輸出電壓和偏置繞組電壓都會升高。當偏置電壓超過 VR2 兩端電壓和 BP/M 引腳電壓之和時，電流將流入 BP/M 引腳。當該電流超過過壓關斷閾值（約 5.5 mA）時，鎖存關斷功能被觸發，MOSFET 開關被禁用。在交流感應配置中，每個線周期都會啟用 MOSFET 開關。在配置 3 中，開關將保持禁用狀態，直到輸入電源移除后電容 C5 放電或 BP/M 引腳電容（C9）放電至低于 4.8V。精密 OVP 電路（如圖 3 和圖 4 所示）能夠確保檢測閾值在無負載到滿載以及指定范圍內的任何線電壓下保持大致相同。

四、變壓器設計

電氣規格

• 電氣強度：在 1 - 6 引腳到 6 - 10 引腳之間，承受 3000 VAC、60 Hz 電壓 1 秒。
• 初級電感：在 100 kHz、0.4 V RMS 條件下，1 - 3 引腳（其他繞組開路）的電感為 661 μH ±10%。
• 諧振頻率：1 - 3 引腳（其他繞組開路）的諧振頻率最小為 2500 kHz。
• 初級漏感：在 100 kHz、0.4 V RMS 條件下，1 - 3 引腳（7 - 10 引腳短路）的漏感最大為 14 μH。

材料選擇

• 磁芯：采用 TDK PC - 40 或等效材料。
• 骨架：使用 TDK - BE - 22 - 1110CP，10 引腳，垂直，（5/5），PI#: 25 - 00892 - 00 或等效產品。
• 膠帶：使用 3M 1350F - 1 或等效的 8.6 mm 寬聚酯薄膜膠帶。
• 磁線：使用可焊接的雙涂層 #30 AWG 磁線。
• 三重絕緣線：使用 #23 AWG 三重絕緣線。
• 清漆：使用 Dolph BC - 359 或等效清漆。

變壓器構建

按照特定的繞線順序和絕緣要求進行構建，最后進行組裝、浸漆、研磨磁芯以達到所需電感值，并將引腳 2 剪短至 3 mm。

五、性能測試

效率測試

在不同輸入電壓和負載條件下進行效率測試，包括使用 68 μF 輸入電容 C2 和熱敏電阻 RT1、不使用熱敏電阻 RT1 以及 380 VDC 輸入等情況。測試結果表明，該電源在各種條件下都能保持較高的效率，滿足設計要求。

輸出功率測試

測試了最大輸出功率與線電壓的關系，確保在不同線電壓下都能提供穩定的輸出功率。

調節性能測試

包括負載調節和線調節測試。負載調節測試顯示，在不同輸入電壓和負載變化時，輸出電壓能夠保持在規定的范圍內；線調節測試表明，在輸入電壓變化時，輸出電壓也能穩定在合理的波動范圍內。

熱性能測試

在室溫下，對電路板進行熱平衡測量，記錄關鍵組件在 85 VAC 滿載、50°C 環境溫度下的溫度。測試結果顯示，各組件的溫度都在安全范圍內，保證了電源的可靠性。

波形測試

記錄了正常運行時的漏極電壓和電流波形、啟動時的漏極電壓和電流波形、輸出電壓啟動波形、負載瞬態響應波形以及輸出紋波波形等。這些波形可以幫助我們分析電源的工作狀態和性能。

浪涌測試

對電源進行差模和共模浪涌測試，輸入電壓設置為 230 VAC，輸出滿載。測試結果表明，電源能夠承受規定的浪涌沖擊，符合相關標準要求。

過壓保護測試

通過短路光耦 U3 LED 來模擬輸出過壓情況，測試不同配置下的過壓保護功能。測試結果顯示，過壓保護功能正常，能夠有效保護電源和負載。

EMI 測試

在滿載情況下，對電源進行 EMI 測試。測試結果表明，電源滿足 CISPR22B / EN55022B 傳導 EMI 標準。

六、總結

這款基于 TNY290PG 芯片的 20W PC 待機電源設計在效率、性能和保護功能等方面都表現出色。它采用了先進的電路設計和變壓器設計，能夠滿足各種應用場景的需求。通過詳細的測試和驗證，證明了該電源的可靠性和穩定性。對于電子工程師來說，這個設計方案具有很高的參考價值，你在實際設計中是否也會考慮采用類似的方案呢？歡迎在評論區分享你的想法。