基于TinySwitch-4 TNY288PG的12W電源設計解析

一、引言

在電子設備的電源設計領域，高效、可靠且符合各種標準的電源供應至關重要。今天我們來詳細探討一款由Power Integrations公司推出的基于TinySwitch - 4 TNY288PG的12W通用輸入電源設計。該設計涵蓋了電源的完整規格、詳細電路圖、物料清單、變壓器設計以及大量測試數據和波形圖，為工程師們提供了一個優秀的參考范例。

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二、電源規格

2.1 輸入參數

• 電壓范圍：輸入電壓范圍為85 - 265VAC，適應全球不同地區的電網電壓。
• 頻率范圍：頻率范圍是47 - 64Hz，能兼容常見的50Hz和60Hz電網頻率。

  2.2 輸出參數

• 輸出電壓：輸出電壓為12V，允許±8%的偏差，即輸出電壓在11 - 13V之間。
• 輸出電流：輸出電流為1A，連續輸出功率為12W。
• 輸出紋波電壓：輸出紋波電壓在20MHz帶寬下不超過100mV。

  2.3 其他特性

• 空載輸入功率：在230VAC時，無偏置繞組支持下空載輸入功率為0.15W，有偏置繞組支持時空載輸入功率低至0.025W。
• 效率：滿載效率達到84%，滿足美國DOE EISA2007（Level VI）和歐洲委員會行為準則（Version 5）等能效標準要求，平均效率不低于83%。
• 過壓保護：過壓保護閾值在15 - 18V之間，確保電源在異常情況下的安全。
• 電磁兼容性：滿足CISPR22B / EN55022B傳導EMI標準，具備良好的電磁兼容性。
• 安全標準：設計符合IEC950、UL1950 Class II安全標準。
• 浪涌保護：能承受1kV的差模浪涌（1.2/50μs）和2kV的共模浪涌。
• 環境溫度：工作環境溫度范圍為0 - 50°C，適用于大多數常見環境。

三、電路描述

3.1 輸入整流與濾波

交流輸入電壓通過輸入橋D1 - D4進行整流，整流后的直流電壓由大容量存儲電容C1和C2進行濾波。電感L1、C1和C2構成輸入π濾波器，有效衰減差模傳導EMI。

3.2 TNY288PG工作原理

TNY288PG芯片U1集成了功率開關器件、振蕩器、控制、啟動和保護功能。整流濾波后的輸入電壓施加到變壓器T1的初級繞組，在開關周期開始時，控制器開啟功率MOSFET，電流在初級繞組中上升，將能量從大容量電容傳遞到變壓器。當電流達到限制閾值時，控制器關閉功率MOSFET，存儲的能量在反激時間內傳遞到輸出電容。 當功率MOSFET關閉時，變壓器的漏感會在漏極節點產生電壓尖峰，由RCD鉗位網絡（D5、C4和R2）限制尖峰幅度。電阻R2和R1不僅能抑制MOSFET關閉時的高頻漏感振蕩，還能限制MOSFET開啟時D5的反向電流，允許使用低成本的慢恢復玻璃鈍化二極管，同時提高傳導EMI性能和效率。齊納二極管VR1在平均開關頻率較低時定義C4兩端的最低電壓，防止鉗位電路成為顯著負載，提高輕載效率并降低待機輸入功率。 U1采用ON/OFF控制方式，根據反饋到其ENABLE/UNDERVOLTAGE（EN/UV）引腳的信號跳過開關周期來調節輸出電壓。在每個開關周期之前，采樣EN/UV引腳電流以確定是否啟用該開關周期。為了均勻分布開關周期，防止脈沖分組，EN/UV引腳閾值電流在115μA和60μA之間調制。內部狀態機根據工作條件將電流限制設置為4個級別之一，確保開關頻率保持在可聽范圍以上，減少變壓器產生的可聽噪聲。

3.3 輸出整流與濾波

輸出整流由二極管D7完成，低ESR電容C10用于實現最小的輸出電壓紋波和噪聲。后置濾波器（鐵氧體磁珠L2和電容C11）進一步衰減噪聲和紋波，以滿足規格要求。

3.4 反饋與輸出電壓調節

電源的輸出電壓調節設定點由齊納二極管VR3、電阻R6和光耦U2中的LED兩端的電壓決定。電阻R4的作用是在VR3進入反向雪崩導通時將其偏置到約0.5mA，確保其工作在額定拐點電流附近。電阻R6限制負載瞬變期間的最大電流。R4和R6的值可以略微調整以微調輸出調節設定點。當輸出電壓高于設定點時，U2中的LED正向偏置，初級側的光電晶體管導通，從U1的EN/UV引腳吸取電流。在每個開關周期開始之前，控制器檢查EN/UV引腳電流，如果電流大于115μA，則禁用該開關周期。通過啟用和禁用開關周期，輸出電壓保持在調節設定點附近。為了提高輸出電壓調節精度，可以使用如TL431等參考IC代替VR3。

3.5 輸出過壓關機

過壓檢測通過檢測整流后的偏置繞組電壓來實現。過壓閾值為VR2和BYPASS（BP）引腳電壓之和（15V + 5.8V）。當出現過壓情況，偏置繞組輸出電壓超過閾值電壓時，電流開始流入BYPASS引腳。當該電流超過5mA時，U1內部的關機電路被激活。復位通過移除輸入電源并使BYPASS引腳電壓降至2V以下來實現。電阻R7和R3對偏置電壓進行額外濾波，R3還限制過壓情況下流入BYPASS引腳的最大電流。

3.6 EMI設計方面

除了簡單的輸入π濾波器（C1、L1和C2）用于差模EMI抑制外，該設計還在變壓器中采用屏蔽技術來減少共模EMI位移電流。電阻R2和電容C4組成阻尼網絡，減少高頻變壓器振蕩。結合TNY288PG的頻率抖動功能，實現了出色的傳導和輻射EMI性能。

3.7 峰值初級電流限制選擇

原理圖中顯示了連接到BP/M引腳的電容C7、C8和C9的三種可能值。不同的電容值可以用于選擇TinySwitch - 4系列的電流限制。

• 當使用0.1μF的BP/M引腳電容時，選擇標稱電流限制，這是典型封閉式適配器應用的常用選擇。
• 使用1μF的BP/M引腳電容時，電流限制降低，可降低器件的RMS電流，提高效率，但會犧牲最大功率能力。
• 使用10μF的BP/M引腳電容時，電流限制高于標稱值，可擴展需要更高功率的應用的功率能力，但需考慮熱條件。 RD - 399演示板上安裝了0.1μF的電容C7，使U1選擇TinySwitch - 4數據手冊中規定的標準電流限制。如果將C7替換為1μF的電容（BOM中的C8），U1的電流限制將與TNY287PG設備的標準電流限制相同；如果安裝10μF的電容，U1的電流限制將與TNY289PG設備的標準電流限制相同。這種靈活性使設計師能夠在不實際更換IC的情況下測量切換到相鄰設備的效果，也可以使用較大的設備并降低電流限制以提高效率，或者在不需要持續高功率的設計中使用較小的設備并提高電流限制，從而降低電源成本。

  3.8 欠壓鎖定

  RD - 399電路板上有一個位置可以安裝可選的欠壓（UV）鎖定檢測電阻（R5）。安裝后，在啟動時，直到流入EN/UV引腳的電流超過25μA，MOSFET開關才會啟用。設計師可以通過選擇R5的值來設置MOSFET開關啟用的輸入電壓。例如，3.6MΩ的電阻需要65VAC（C2兩端92VDC）的輸入電壓才能使流入EN/UV引腳的電流超過25μA。欠壓檢測功能還可以防止電源輸出在輸出調節丟失（關機期間）后出現故障重啟，通過禁用MOSFET開關直到輸入電壓高于欠壓鎖定閾值。

四、PCB布局與物料清單

4.1 PCB布局

PCB尺寸為3.2×1.8英寸，合理的布局對于電源的性能和穩定性至關重要。在設計PCB布局時，需要考慮元件的分布、走線的長度和寬度、散熱等因素，以確保電源的高效運行。

4.2 物料清單

物料清單詳細列出了電源設計所需的各種元件，包括電容、電阻、二極管、電感、變壓器、芯片等。每個元件都有其特定的參數和型號，選擇合適的元件對于實現電源的性能指標至關重要。例如，電容的容量、耐壓值，電阻的阻值、功率等都需要根據電路的要求進行選擇。

五、變壓器設計

5.1 電氣規格

• 電氣強度：在引腳1 - 5到引腳6 - 10之間，能承受1秒、60Hz、3000VAC的電壓。
• 初級電感：引腳1 - 3，其他繞組開路，在100kHz、0.4VRMS下測量，初級電感為1189μH ±10%。
• 諧振頻率：引腳1 - 3，其他繞組開路，諧振頻率最小為500kHz。
• 初級漏感：引腳1 - 3，引腳6 - 8短路，在100kHz、0.4VRMS下測量，初級漏感最大為50μH。

  5.2 材料清單

  變壓器的材料清單包括磁芯、骨架、漆包線、膠帶、清漆等。磁芯采用PC40EE25 - Z，骨架為EE25垂直10引腳。不同規格的漆包線用于不同的繞組，膠帶用于絕緣，清漆用于浸漬變壓器，提高其絕緣性能和機械強度。

  5.3 變壓器構建

  變壓器的構建過程包括骨架設置、繞組繞制、絕緣處理、磁芯組裝和浸漆等步驟。每個步驟都有嚴格的要求，例如繞組的匝數、繞制方向、絕緣層的厚度等，這些因素都會影響變壓器的性能。

六、性能測試

6.1 效率測試

TinySwitch - 4采用的ON/OFF控制方案在25% - 100%負載范圍內實現了幾乎恒定的效率，即使在負載低于額定輸出功率的10%時，效率仍保持在70%以上，滿足全球外部電源能效標準要求。在不同輸入電壓（85VAC、115VAC、230VAC、265VAC）和輸出電流下進行效率測試，結果顯示該電源設計具有良好的效率表現。

6.2 空載輸入功率測試

分別測試了無偏置繞組補充（R8未安裝）和有偏置繞組支持（R8安裝）兩種情況下的空載輸入功率。在有偏置繞組支持時，空載輸入功率顯著降低，說明偏置繞組的使用有助于降低待機功耗。

6.3 可用待機輸出功率測試

測試表明，該電源在低輸入功率消耗水平下仍能提供一定的輸出功率，體現了ON/OFF控制方案的優勢，簡化了需要滿足嚴格待機功耗要求的產品設計，如打印機、機頂盒、DVD播放器等。

6.4 調節性能測試

通過負載和線路調節測試，觀察輸出電壓隨輸出電流和輸入電壓的變化情況。結果顯示，輸出電壓在不同負載和輸入電壓下能夠保持在規定的范圍內，具有良好的調節性能。

6.5 熱性能測試

使用T型熱電偶測量關鍵組件（如TNY288PG、變壓器、輸出整流器、輸出電容等）的溫度。在50°C的環境溫度下，滿載運行1小時后，各組件的溫度上升均在可接受范圍內，說明該電源設計具有良好的熱性能。

6.6 波形測試

通過示波器觀察關鍵節點的波形，如漏極電壓和電流、輸出電壓啟動曲線、負載瞬態響應、輸出紋波等。這些波形可以直觀地反映電源的工作狀態和性能，為電源的優化和改進提供依據。

6.7 線路浪涌測試

對電源進行差模和共模線路浪涌測試，輸入電壓設置為230VAC / 60Hz，輸出滿載。測試結果表明，電源在1kV差模浪涌和2kV共模浪涌下均能正常工作，通過了所有測試條件。

6.8 傳導EMI測試

在115VAC和230VAC滿載（12V，1A）條件下進行傳導EMI測試，測量結果顯示該電源滿足EN55022B / CISPR22B傳導限制，且有良好的裕量（>10dB）。

6.9 可聽噪聲測試

在無外殼的開放框架單元中，使用音頻精密分析儀在離變壓器T1磁芯1英寸處測量可聽噪聲。測試在聲學隔離和阻尼室中進行，負載調整到獲得最大讀數。結果表明，在頻率低于18kHz時，可聽噪聲低于35dBrA，安裝外殼后可進一步降低噪聲水平。

七、擴展與靈活應用

7.1 擴展和降低電流限制操作

通過更換BP/M引腳的電容，可以實現TNY288PG的擴展和降低電流限制操作。將C7（0.1μF）替換為10μF電容（C9），TNY288PG將工作在ILIMIT + 1模式，最大初級電流限制從0.55A增加到0.65A，可增加15% - 25%的輸出功率，但需注意其他功率組件的散熱問題。將C7替換為1μF電容（C8），TNY288PG將工作在ILIMIT - 1模式，最大電流限制從0.55A降低到0.45A，雖然會降低最大輸出功率，但可提高效率，尤其是在低輸出功率水平下。

7.2 TNY287PG和TNY289PG在RD - 399中的應用

TNY287PG在ILIMIT + 1模式（用10μF電容替換C7）下可在RD - 399參考板上工作，輸出功率與TNY288PG相同，為設計工程師提供了在熱要求較低的應用中使用低成本部件的選擇。TNY289PG在ILIMIT - 1模式（用1μF電容替換C7）下可提供與TNY288PG標準ILIMIT配置相同的輸出功率，同時提高效率并降低器件溫度，適用于高環境溫度環境下的設計。

7.3 過壓保護操作驗證

在RD - 399正常運行時，通過存儲示波器監測輸出。通過短路光耦LED觸發過壓條件，當輸出電壓上升使VR2導通時，TNY288PG器件鎖存關閉。要重置過壓保護鎖存，需移除交流輸入電源，使輸入大容量電容完全放電。

八、總結

這款基于TinySwitch - 4 TNY288PG的12W電源設計具有高效、可靠、靈活等優點，滿足多種能效和安全標準要求。通過合理的電路設計、變壓器設計和PCB布局，以及嚴格的性能測試，確保了電源在不同工作條件下的穩定運行。同時，該設計還提供了多種擴展和靈活應用的方式，為工程師們在不同應用場景中提供了更多的選擇。在實際設計中，工程師們可以根據具體需求對電路進行調整和優化，以實現最佳的性能和成本效益。你在電源設計過程中遇到過哪些挑戰呢？又是如何解決的呢？歡迎在評論區分享你的經驗。