TinySwitch特性及其应用TheCharacteristicsandApplicationsofTinySwitch

2006-05-07 15:49:45来源: 电源技术应用

     摘要:介绍应用于小功率开关电源的控制器件?TinySwitch的特点,并讨论在待机电源和充电器中的应用。

      Abstract:ThecharacteristicsofTinyswitchwhichisusedinlowpowerswitch

modepowersupplyareintroducedinthispaper,andapplicationsofTinySwitch

instand-bypowerSupplyandChargeraredwelledon.

    关键词:逐周电流限制跳周期

    Keywords:Cyclebycyclecurrentlimited,Jumpcycle

    1  引 言

  中大功率开关电源在市场上占有较大份额,然而小功率开关电源在很多场合,例如在待机电源中是必不可少的。TinySwitch特别适用于为用户提供10W以下的隔离型开关电源。

  十多年以前以为用UC3842和MOSFET制作的分离元件开关电源,线路已较为简单,但与其相比,TopSwitch制作的开关电源电路更加简单。由于它们同样是采用固定频率PWM方式,其开关损耗几乎与负载无关,导致轻载时电源效率明显降低。而采用TinySwitch除电路非常简单外,同时还具有高效率、低成本的显著特点。

    2  Tiny Switch(253/254/255系列)简介

  Tiny Switch把控制IC和功率MOSFET集成在一起,实际上只需四个功能引脚。

  (1)TinySwitch各引脚功能

  漏极(D):功率MOSFET漏极,为起动和稳态工作提供工作电流。

  旁路(BP):内接5.8V稳压器,外接滤波电容。正常工作时,旁路电容在TinySwitch中MOSFET导通期间为控制电路提供能量。

  使能(EN):功率MOSFET是否导通控制端。正常工作情况,EN端为高电平时,MOSFET导通;EN端为低电平时,MOSFET关断。

 t1.gif (6682 字节) 源极(S):功率MOSFET源极。

  (2)TinySwitch器件的突出特点

内置芯片供电电源,省去外加辅助电源,可使输出电压不影响电路工作。

  控制方式采用逐周电流限制方式,可减小电流纹波。?跳周期?的工作方式通过改变有效的工作频率,使开关损耗与负载呈线性比例,从而使不同负载情况下,电源均具有较高效率。

  内置过热保护电路之超温闭锁功能,确保开关电源安全工作。

     3  TinySwitch的特性

  (1)TinySwitch控制方式

  TinySwitch功能框图如图1所示。

  芯片正常工作时,TinySwitch内部振荡器周期性起动MOSFET,每个周期内,由限流电路检测MOSFET的电流,并将其与门限值比较,当其超过门限(ILIMIT)时,功率MOSFET在此周期剩余时间内关断。也就是说,当TinySwitch正常工作时,由限流电路对MOSFET进行逐周电流限制,以决定功率MOSFET在每个周期内的最大导通时间(tmax)。需要注意的问题是:MOSFET的电流是否会在tmax时间内达到门限(ILIMIT)呢?这一点只要在电源设计时,选择的TinySwitch器件在最低的输入电压时满足功率要求,经计算得出的变压器初级电感便可使电流在tmax限制时间内逐渐升至门限值ILIMIT)。

  TinySwitch内部限流电路的门限值(ILIMIT)为常数,内部振荡器把MOSFET的开关频率设定为常数,由于TinySwitch的门限值和频率均为常数,利用其进行隔离型电源设计,次级的(最大)输出功率亦为常数。

  (2)TinySwitch工作模式

  反激式开关电源的输出功率与门限值、变压器初级电感和开关频率相关,即

s1.gif (2112 字节)

  t3.gif (9029 字节)那么,输出功率一定的TinySwitch芯片是如何工作来满足不同负载要求的呢?分析式(1),再结合芯片特点,即可以得出结论。由于TinySwitch门限值和变压器初级电感均为常数,那么若想改变输出功率P,只能着眼于开关频率f,TinySwitch采用?跳周期?的工作方式,正是以改变功率MOSFET有效的开关频率,以实现不同的功率输出。

  在分析TinySwitch是如何?跳周期?时,先了解一下芯片的EN引脚。参照图1,使能引脚电路中有一个设定为1.5V的源极跟随输入。输入电流被10μA滞回的电流源箝位。在振荡器时钟信号(每个周期之始)的上升沿,对使能检测电路的输出取样,若为高电平,此周期接通功率MOSFET,否则功率MOSFET在相应周期保持截止,即跳过该工作周期,由于对EN引脚取样仅在每个周期之始进行一次,周期中使能引脚上的其它变化可不予考虑。这样,可以通过EN端电平的不同对芯片进行开/关控制。

  于是,可以通过控制TinySwitch开/关频率来获得不同的次级输出功率。满载时,让inySwitch在大部分时钟周期导通;不足满载时,TinySwitch将?跳过?更多周期以保持次级输出电压稳定;在轻载或空载时,几乎跳过所有周期,只有一小部分周期导通以供给电源的功率消耗。不同负载工作情况的波形见图2

        由于在不同输出功率情况下,有效开关频率不同,使得输出功率不同,开关损耗也就不同。TinySwitch的开关损耗几乎与输出功率成线性比例,使得电源在各种输出功率时都具有较高的效率。这是采用PWM方式开关模式电源(SMPS)望尘莫及的。应用TinySwitch进行设计的电源效率与一般开关模式电源的比较见图3。

  TinySwitch在跳周期时,振荡器频率通常加倍(TNY255仍将保持130kHz)。这增加了使能引脚取样率,使环路响应速度更快,对保证输出电压的稳定性非常有利。

  t4.gif (6824 字节)(3)TinySwitch超温闭锁功能

  参见图1,TinySwitch内设热关断电路可检测管芯结温。热关断电路的门限为135℃,70℃滞回,当结温上升至超过门限时(135℃),热关断电路关断功率MOSFET,直到管芯结温下降到70℃时才会令其重新导通。

    4  TinySwitch的典型应用?隔离型待机电源

  用TinySwitch实现的小功率隔离型开关电源,体积小、成本低、设计电路简单,其典型应用如图4所示。

  图4为TinySwitch与反激式离线变换电路相结合实现高压DC输入的小功率DC电源。通过在次级将输出电压与一个参考电压相比较产生使能信号。参考电压取决于一个光耦发光二极管与一个齐纳二极管之和。当输出电压低于参考电压时,使能信号为高电平,控制Tinyn   Switch之MOSFET导通,为变压器初级提供通路,向次级供电。当输出电压超过参考电压时,光耦二极管导通,将使能脚置低电平,使相应周期MOSFET关断,即MOSFET跳周期,从而保持输出电压稳定。

  TinySwitch虽然工作于?跳周期?方式,但一旦一个周期开始,MOSFET总会完成整个周期,如此的工作方式使输出电压纹波由输出电容、每个开关周期的能量和使能反馈的延时决定。TinySwitch通/断控制电路的响应时间与一般的PWM控制相比非常迅速,这使得线路具有很好的纹波抑制性能和瞬间响应性能。

  t5.gif (9292 字节)利用TinySwitch进行电源设计的另一个好处是不需要辅助电源,参见图4与图1,当MOSFET关断时,5.8V稳压器通过来自漏极的电流将连接到旁路引脚上的旁路电容充电至5.8V,当MOSFET导通,TinySwitch消耗存储在旁路电容上的能量,TinySwitch内部电路的功耗极低,使其能利用来自漏极引脚的电流连续工作。选取0.1μF的旁路电容已足以实现对高频去耦和能量存储。

    5  应用举例?移动电话充电器

  不需要辅助电源的特点,使TinySwitch特别适于做移动电话充电器。由于TinySwitch总是由输入高压供电,因而不需要偏置绕组。图5显示了一个使用TNY254的5.2V、3.6W移动电话充电器电路,在市电输入电压范围内(85V至256V)提供恒定电压和电流输出。交流输入经V1~V4、C1~C2整流滤波,产生与TYN254内高压MOSFET串联的高压直流总线。电感L1与C1和C2一起构成型滤波器。电阻R1用于衰减电感L1的谐振。TNY254的低工作频率(44kHz)使其可以采用如上述简单的型滤波器与一个电容C8组合来满足传导EMI标准。V6、C4和R2组成箝位电路,将TinySwitch漏极引脚关断电压尖峰限制在安全值范围内。次级绕组经V5和C5整流滤波提供5.2V输出。L2和C6一起提供辅助滤波。输出电压由光耦V7的发光二极管的管压降(约1V)和齐纳二极管V9的电压之和确定。电阻R8提供齐纳二级管的偏置电流来改善电压容差。用晶体管V8的UBE来检测通过电流检测电阻R4上的电压,R3是一个基准电流限制电阻。当R4上的压降超过晶体管V8的UBE时V8导通,并驱动光耦V7来取代环路控制。R6产生额外的压降,使得控制环路工作输出降至0V。由于输出短路,R4和R6上的压降足以保持V8和V7电路工作。电阻R7和R9限制了在输出短路时,由R4和R6上的压降产生的通过V9流入V8的正向电流。

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/power/200605/2008.html
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