基于TinySwitch-III（TNY278PN）的12W電源設(shè)計(jì)解析

一、引言

在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，電源模塊是至關(guān)重要的一環(huán)。今天我們要探討的是一款基于TinySwitch - III家族的TNY278PN芯片設(shè)計(jì)的12V、1A通用輸入反激式電源。該電源設(shè)計(jì)具有諸多亮點(diǎn)，不僅滿(mǎn)足各種能效標(biāo)準(zhǔn)，還具備出色的性能和靈活的配置選項(xiàng)。

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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(wú)負(fù)載輸入功率方面，無(wú)偏置繞組支持時(shí)為0.15W，有偏置繞組支持時(shí)可低至0.05W。

  輸出參數(shù)

• 輸出電壓為12V，輸出電流為1A，輸出紋波電壓不超過(guò)100mV，連續(xù)輸出功率為12W，過(guò)壓關(guān)斷電壓為15 - 18V。

  效率與其他特性

• 要求在25%、50%、75%和100%負(fù)載下的平均效率符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，滿(mǎn)載效率達(dá)到75%，超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求的71.3%。同時(shí)，該電源滿(mǎn)足CISPR22B/EN55022B傳導(dǎo)EMI標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)滿(mǎn)足IEC950、UL1950 Class II安全要求，能承受1.2/50μs的1kV差模浪涌和2kV共模浪涌，環(huán)境溫度范圍為0 - 50°C。

三、電路設(shè)計(jì)

輸入整流與濾波

• 由二極管D1 - D4對(duì)交流輸入進(jìn)行整流，電容C1和C2對(duì)整流后的直流進(jìn)行濾波。電感L1、C1和C2構(gòu)成π型濾波器，有效衰減差模傳導(dǎo)EMI。

  TNY278PN芯片工作原理

• TNY278PN芯片集成了振蕩器、開(kāi)關(guān)控制器、啟動(dòng)和保護(hù)電路以及功率MOSFET。在開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始時(shí)，控制器開(kāi)啟MOSFET，電流在變壓器初級(jí)繞組中上升，存儲(chǔ)能量。當(dāng)電流達(dá)到極限閾值時(shí)，控制器關(guān)閉MOSFET，存儲(chǔ)的能量通過(guò)變壓器次級(jí)繞組傳遞到輸出電容。漏感產(chǎn)生的電壓尖峰由RCD鉗位網(wǎng)絡(luò)（D5、C4和R2）限制，電阻R1和VR1在輸出過(guò)載時(shí)進(jìn)行硬鉗位。
• 芯片采用ON/OFF控制，根據(jù)EN/UV引腳的反饋跳過(guò)開(kāi)關(guān)周期來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。為避免群脈沖，EN引腳閾值電流在115μA和60μA之間調(diào)制。控制器根據(jù)負(fù)載需求將MOSFET電流限制閾值調(diào)整為四個(gè)級(jí)別，確保有效開(kāi)關(guān)頻率高于可聽(tīng)范圍，減少變壓器的可聽(tīng)噪聲。

  輸出整流與濾波

• 二極管D7對(duì)變壓器T1的輸出進(jìn)行整流，采用低ESR電容C10來(lái)最小化輸出電壓紋波，后置濾波器（鐵氧體磁珠L(zhǎng)2和電容C11）進(jìn)一步衰減高頻開(kāi)關(guān)噪聲。

  反饋與輸出電壓調(diào)節(jié)

• 輸出電壓調(diào)節(jié)設(shè)定點(diǎn)由齊納二極管VR3、電阻R6和光耦U2中的LED上的電壓決定。當(dāng)輸出電壓超過(guò)設(shè)定點(diǎn)時(shí)，U2中的LED正向偏置，光晶體管導(dǎo)通，從U1的EN/UV引腳吸取電流，控制器根據(jù)該引腳電流決定是否啟用開(kāi)關(guān)周期，從而將輸出電壓保持在調(diào)節(jié)設(shè)定點(diǎn)附近。為提高輸出電壓調(diào)節(jié)精度，可使用如TL431等參考IC代替VR3。

  輸出過(guò)壓關(guān)斷

• TinySwitch - III系列IC可通過(guò)BP/M引腳和變壓器的偏置繞組檢測(cè)輸出過(guò)壓情況并鎖存關(guān)閉。當(dāng)輸出電壓異常升高時(shí)，偏置繞組電壓超過(guò)閾值，電流流入BP/M引腳，觸發(fā)鎖存關(guān)斷電路。要重置鎖存關(guān)斷，需移除交流輸入，使輸入電容放電，BP/M引腳電壓降至2V以下。

  EMI設(shè)計(jì)

• 輸入π型濾波器（C1、L1和C2）衰減傳導(dǎo)差模EMI噪聲，變壓器T1采用屏蔽技術(shù)（E - Shield?）減少共模EMI位移電流，電阻R2和電容C4抑制MOSFET關(guān)斷時(shí)的高頻振鈴，結(jié)合芯片的頻率抖動(dòng)功能，實(shí)現(xiàn)出色的傳導(dǎo)和輻射EMI性能。

  峰值初級(jí)電流限制選擇

• 通過(guò)在BP/M引腳安裝不同電容值可選擇U1的電流限制。安裝0.1μF電容選擇標(biāo)準(zhǔn)電流限制，適用于封閉適配器應(yīng)用；安裝1μF電容降低MOSFET電流限制，提高效率但降低最大功率能力；安裝10μF電容提高M(jìn)OSFET電流限制，擴(kuò)展IC的功率能力。

  UV鎖定

• EP91電路板可安裝欠壓（UV）鎖定檢測(cè)電阻R5。安裝后，啟動(dòng)時(shí)MOSFET開(kāi)關(guān)在EN/UV引腳電流超過(guò)25μA之前被禁用，設(shè)計(jì)者可通過(guò)選擇R5的值設(shè)定MOSFET開(kāi)關(guān)啟用的輸入電壓。UV檢測(cè)功能還可防止輸出調(diào)節(jié)丟失后電源輸出出現(xiàn)毛刺。

四、變壓器設(shè)計(jì)

電氣規(guī)格

• 變壓器電氣強(qiáng)度要求在1 - 5引腳到6 - 10引腳之間承受3000VAC、1秒、60Hz的測(cè)試。初級(jí)電感在100kHz、0.4V RMS下為1050μH，±10%；諧振頻率最小為500kHz；初級(jí)漏電感在100kHz、0.4V RMS下最大為50μH。

  材料與結(jié)構(gòu)

• 采用PC40EE25 - Z磁芯，EE25垂直10引腳骨架。繞組使用#30AWG和#26AWG磁線(xiàn)以及#26AWG三重絕緣線(xiàn)，還使用了多種3M聚酯膠帶進(jìn)行絕緣。變壓器通過(guò)浸漆處理，但不進(jìn)行真空浸漬。

五、性能測(cè)試

效率測(cè)試

• TinySwitch - III采用的ON/OFF控制方案在25% - 100%負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了幾乎恒定的效率，即使在低于10%額定輸出功率的負(fù)載下，效率仍保持在65%以上，滿(mǎn)足各種能效標(biāo)準(zhǔn)。

  有源模式CEC測(cè)量

• 在加利福尼亞州，該電源設(shè)計(jì)在115VAC和230VAC下的平均效率輕松超過(guò)CEC要求的71.3%。

  無(wú)負(fù)載輸入功率

• 無(wú)偏置繞組支持時(shí)，無(wú)負(fù)載輸入功率隨輸入電壓變化；有偏置繞組支持時(shí)，無(wú)負(fù)載輸入功率顯著降低。

  可用待機(jī)輸出功率

• 展示了在不同輸入功率消耗水平下的可用輸出功率，體現(xiàn)了ON/OFF控制在輕負(fù)載下保持高效率的優(yōu)勢(shì)，簡(jiǎn)化了滿(mǎn)足待機(jī)功率要求的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

  電壓調(diào)節(jié)

• 在不同輸入電壓和負(fù)載下，輸出電壓保持穩(wěn)定，負(fù)載和線(xiàn)路調(diào)節(jié)性能良好。

  熱性能

• 在50°C環(huán)境溫度下，對(duì)關(guān)鍵組件進(jìn)行溫度測(cè)量，結(jié)果顯示所有組件的溫度上升在可接受范圍內(nèi)。

  波形測(cè)試

• 包括漏極電壓和電流、輸出電壓?jiǎn)?dòng)特性、負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)、輸出紋波測(cè)量以及過(guò)壓關(guān)斷等波形測(cè)試，驗(yàn)證了電源在不同工況下的性能。

  線(xiàn)路浪涌測(cè)試

• 電源通過(guò)了IEC61000 - 4 - 5標(biāo)準(zhǔn)的差模和共模浪涌測(cè)試。

  傳導(dǎo)EMI測(cè)試

• 在115VAC和230VAC滿(mǎn)載下進(jìn)行傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試，結(jié)果顯示有超過(guò)10dB的裕量，滿(mǎn)足EN55022B/CISPR22B標(biāo)準(zhǔn)。

  可聽(tīng)噪聲測(cè)試

• 開(kāi)放式框架單元在聲學(xué)隔離和阻尼室中進(jìn)行測(cè)試，可聽(tīng)噪聲在可接受范圍內(nèi)，封閉外殼可進(jìn)一步降低噪聲水平。

六、靈活配置與驗(yàn)證

電流限制操作

• 通過(guò)更換BP/M引腳的電容，可實(shí)現(xiàn)TNY278PN的擴(kuò)展和降低電流限制操作。增加電容可提高輸出功率，減少電容可提高效率。

  不同芯片操作

• TNY277PN在ILIMIT + 1模式下、TNY279PN在ILIMIT - 1模式下可在RD - 91參考板上工作，為設(shè)計(jì)工程師提供了更多選擇。

  OVP操作驗(yàn)證

• 通過(guò)短路光耦LED觸發(fā)過(guò)壓情況，驗(yàn)證OVP功能，重置OVP鎖存需移除交流輸入。

七、總結(jié)

這款基于TinySwitch - III（TNY278PN）的12W電源設(shè)計(jì)具有高效、靈活、可靠等優(yōu)點(diǎn)。其滿(mǎn)足多種能效標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)合理的電路設(shè)計(jì)和變壓器設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了出色的性能表現(xiàn)。同時(shí)，靈活的配置選項(xiàng)為工程師在不同應(yīng)用場(chǎng)景下提供了更多的設(shè)計(jì)可能性。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們可以根據(jù)具體需求對(duì)電源進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，以滿(mǎn)足不同產(chǎn)品的要求。你在電源設(shè)計(jì)中遇到過(guò)哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。