采用TinySwitch-Ⅲ的懸浮式高壓恒流源的設(shè)計
在設(shè)計工業(yè)控制的輔助電源時,可采用美國PI公推出的TInySwitch-Ⅲ系列第三代微型開關(guān)電源。目前,世界通用的交流輸入電壓范圍是u=85~265V。但是當(dāng)18V<u<75V時,芯片就無法提供足夠的偏壓以維持正常工作,這就大大限制了TinySwitch-Ⅲ系列產(chǎn)品在低壓領(lǐng)域的應(yīng)用。為解決上述難題,使TinySwitch-Ⅲ在超低交流輸入電壓下也能正常工作,就需要從外部設(shè)計一個懸浮式高壓恒流源。
TinySwitch-Ⅲ系列產(chǎn)品的性能特點
TinySwitch-Ⅲ系列產(chǎn)品包括TNY274P~TNY280P、TNY274G~TNY280G等共14種型號。該系列產(chǎn)品主要有以下特點:
● TinySwitch-Ⅲ系列產(chǎn)品的最大輸出功率為36.5W(TNY280P/G型)。通過選擇BP/M端的電容量,可從外部設(shè)定內(nèi)部漏極限流點。該系列產(chǎn)品中除TNY274P/G之外,每種型號都有3種不同的極限電流值可供用戶選擇。其優(yōu)點是在用相鄰型號進行替換時,無須重新設(shè)計高頻變壓器,也不用改變外圍元件。
● 用戶可分別從實現(xiàn)電源效率最大化、獲得最大輸出功率的角度來優(yōu)化電源設(shè)計。選擇較高的漏極限流點可獲得更高的峰值功率,或者在敞開式電源模塊中得到更高的連續(xù)輸出功率;而較低的極限電流值可提高密封式電源適配器/電池充電器的效率。
● 傳統(tǒng)的脈寬調(diào)制(PWM)式開關(guān)電源的效率隨負載的減輕而明顯降低。TinySwitch-Ⅲ則采用開/關(guān)控制方式,能滿足對待機電源及空載功耗節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的要求,空載功耗低于150mW;增加偏置繞組后可降到50mW以下。
● 具有輸入欠電壓保護、輸出過電壓保護和功率開關(guān)管自適應(yīng)導(dǎo)通時間延長功能。
TinySwitch-Ⅲ系列微型開關(guān)電源的工作原理
TinySwitch-Ⅲ的內(nèi)部框圖如圖1所示,其中,S、D分別為內(nèi)部功率MOSFET的源極與漏極(4個源極在內(nèi)部連通)。EN/UV為“使能/欠電壓”雙功能引出端,正常情況下,通過該端可控制功率MOSFET的通、斷;若在該端與直流輸入電壓之間連接一只外部電阻,即可檢測輸入是否欠電壓。BP/M為旁路/多功能端,單純作旁路端使用時,該端與地(S極)之間接0.1μF的旁路電容。BP/M端還具有多功能端的特性:首先是改變旁路電容的容量,即可設(shè)定漏極限流點;其次,該端還能提供關(guān)斷功能,具體方法是在反饋電壓的輸出端與BP/M端之間接一只穩(wěn)壓管,即可實現(xiàn)輸出過電壓保護。
圖1 TinySwitch-Ⅲ的內(nèi)部框圖
TinySwitch-Ⅲ內(nèi)部集成了一個耐壓為700V的功率MOSFET和一個開/關(guān)控制器。與傳統(tǒng)的PWM控制器不同,它采用一個簡單的開∕關(guān)控制器來調(diào)節(jié)輸出電壓。內(nèi)部主要包括振蕩器,5.85V穩(wěn)壓器,旁路端鉗位用的6.4V穩(wěn)壓管,使能檢測與邏輯電路,極限電流狀態(tài)機,欠電壓、過電流及過熱保護電路和自動重啟動計數(shù)器。
TinySwitch-Ⅲ的極限電流ILIMIT與旁路電容CBP的對應(yīng)關(guān)系見表1。以TNY279P/G為例,當(dāng)旁路電容CBP=0.1μF時,選擇標(biāo)準(zhǔn)極限電流ILIMIT=650mA(典型值,下同);當(dāng)旁路電容CBP=1μF時,選擇較低的極限電流ILIMIT-=550mA;當(dāng)旁路電容CBP=10μF時,選擇較高的極限電流ILIMIT+=750mA,三者之間依次相差100mA。這種設(shè)計的最大優(yōu)點是能保證相鄰型號之間具有良好的兼容性。例如,TNY279P/G的ILIMIT-=550mA,這恰好是相鄰型號TNY278P/G的極限電流值;而TNY279P/G的ILIMIT+=750mA,這正是相鄰型號TNY280P/G的極限電流值,余者類推。
超寬輸入范圍的工業(yè)控制電源的電路設(shè)計
由TinySwitch-Ⅲ系列產(chǎn)品TNY280P構(gòu)成3W超寬輸入范圍的工業(yè)控制電源的電路如圖2所示。該電源的顯著特點是交流電壓輸入范圍極寬(18~265V),輸出電壓為+5V,輸出電流為600mA。電源效率可達65%,當(dāng)交流輸入電壓為230V時的空載功耗低于200mW。該電源的應(yīng)用領(lǐng)域包括工業(yè)控制所用的輔助電源。
圖2 由TNY280P構(gòu)成3W超寬輸入范圍的工業(yè)控制電源的電路
TinySwitch-Ⅲ系列產(chǎn)品能夠正常啟動和工作的最低漏極電壓為50V。通常情況下,當(dāng)交流輸入電壓u>85V時,芯片可提供自供偏壓。但是當(dāng)18V<u<75V時,芯片就無法提供足夠的偏壓以維持正常工作,這就大大限制了TinySwitch-Ⅲ系列產(chǎn)品在低壓情況下的應(yīng)用。為解決上述難題,使TinySwitch-Ⅲ在超低交流輸入電壓下也能正常工作,需要從TNY280P外部增加一個懸浮式高壓電流源,以便在低壓時給旁路端BP/M繼續(xù)供電。懸浮式電流源的電路如圖3所示。它包括7.5V穩(wěn)壓管VDZ1(1N5236B)、PNP型晶體管VT1(ZTX558)、NPN型晶體管VT2(ZTX458)、二極管VD2和VD4、電阻R4~R6。其中,VD2為半波整流管;VD4為隔離二極管,可將電流源與其他電路隔離開。
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圖3 懸浮式電流源的電路
ZTX558和ZTX458均為英國Zetex半導(dǎo)體公司(Zetex Semiconductors)生產(chǎn)的高反壓晶體管。其中,ZTX558屬于PNP型高反壓晶體管,主要參數(shù)為當(dāng)基極開路時集電極-發(fā)射極的反向擊穿電壓U(BR)CEO=-400V,當(dāng)發(fā)射極開路時集電極–基極的反向擊穿電壓(亦即集電結(jié)反向擊穿電壓)U(BR)CBO=-400V,最大集電極電流ICM=-200mA,共發(fā)射極電流放大系數(shù)hFE≤300,最大功耗PCM=1W。ZTX458則屬于NPN型高反壓晶體管,主要參數(shù)為U(BR)CEO=400V,U(BR)CBO=400V,最大集電極電流ICM=300mA,hFE≤300,PCM=1W。
18~265V的交流電壓經(jīng)過VD2半波整流后,得到呈脈動直流的偏置電壓UB,加至懸浮式電流源的輸入端。該電流源能在整個輸入電壓范圍內(nèi)向TNY280P的BP/M端大約提供600μA的恒定電流。首先假定該電路只用晶體管VT2,則可認為由穩(wěn)壓管VDZ1給VT2的基極提供一個參考電位UB2。由于VT2的發(fā)射結(jié)電壓(UBE2)與R5上的壓降(UR5)之和就等于穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓值UZ,而當(dāng)環(huán)境溫度不變時UBE2近似為恒定電壓,因此UR5也為一個固定電壓,利用R5即可設(shè)定恒流值。然而,實際上交流輸入電壓的范圍很寬,由穩(wěn)壓管提供的偏置電流的變化范圍很大,這會導(dǎo)致所設(shè)定的恒流值發(fā)生偏移。要克服上述難題,需要由PNP型晶體管VT1和R4再提供一個恒定的偏置電流。令VT1的發(fā)射結(jié)電壓為UBE1,通過R4所設(shè)定的恒定偏置電流IB1=UBE1/R4。顯然,IB1不受輸入電壓變化的影響。
偏置電壓(UB)與總偏置電流(IB)的關(guān)系曲線如圖4所示。由圖可見,VT2在較低輸入電壓下提供恒定偏置電流IB2,而VT1在較高輸入電壓下提供恒定偏置電流IB1。具體可分為以下3種情況:
圖4 偏置電壓與總偏置電流的關(guān)系曲線
1 當(dāng)偏置電壓UB≈50V(即整流濾波后的直流輸入電壓UI≈50V)時,由VT2給TNY280P提供恒定的偏置電流IB2,此時總偏置電流IB=IB2。
2 當(dāng)偏置電壓UB>50V時,流過VT2的電流將線性地減小,而流過VT1的電流線性地增大,此時由VT1、VT2共同給TNY280P提供恒定的偏置電流,總偏置電流IB=IB1+IB2,其中的IB2>IB1。
3 當(dāng)偏置電壓達到最大值(UB=375V)時,主要由VT1提供恒定的偏置電流,IB=IB1+IB2,但其中的IB1>IB2。
該電路所提供的總偏置電流IB≈600μA。
18~265V交流輸入電壓經(jīng)過由VD1、C1和C2組成的半波整流濾波電路,獲得直流輸入電壓UI,為反激式開關(guān)電源提供高壓直流。C1、C2還與電感器L構(gòu)成π形濾波器,用于降低串模電磁干擾。在高頻變壓器的一次繞組與二次繞組之間使用了Y電容C7,可濾除共模干擾。一次側(cè)鉗位電路由VD3(1N4007GP)、R1、R2和C3組成。整流管VD5采用BYV27-200型2A/200V的超快恢復(fù)二極管,其反向恢復(fù)時間trr<25ns。輸出電壓由穩(wěn)壓管VDZ2、光耦合器PC817A中的LED壓降之和來設(shè)定。VDZ2采用4.3V穩(wěn)壓管1N5229B,LED的正向壓降近似為1V,所設(shè)定的空載輸出電壓為5.3V。
TNY280P采用開/關(guān)控制方式,它經(jīng)過光耦合器來接收二次繞組的反饋電壓,再通過使能或禁止內(nèi)部MOSFET的開/關(guān),使輸出電壓保持穩(wěn)定。一旦從EN/UV端流出的電流超過關(guān)斷閾值電流(115μA),將跳過開關(guān)周期;當(dāng)EN/UV端流出的電流小于關(guān)斷閾值電流時,開關(guān)周期將重新使能。
設(shè)計要點
1 高頻變壓器采用EF20型鐵氧體磁心,一次繞組用Φ0.33mm漆包線繞32匝。二次繞組用Φ0.40mm漆包線繞8匝。一次繞組的電感量LP=278μH(允許有±12%的誤差),最大漏感量LP0=12μH。一次繞組的最低諧振頻率為1MHz。
2 由于該電源的輸入電壓范圍非常寬,因此一次繞組的電感量LP必須足夠?。▽嶋H選278μH),以便使TNY280P工作在連續(xù)模式的邊緣處。但是當(dāng)LP較小時會導(dǎo)致電流上升率di/dt增大,必要時可選用TInySwitch-Ⅲ系列產(chǎn)品中輸出功率較大的芯片。
3 鉗位電路中R1的阻值不宜過小,否則會使空載功耗增大