超寬輸入范圍工業(yè)控制電源的研究與設(shè)計(jì)
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在設(shè)計(jì)工業(yè)控制的輔助電源時(shí)，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(shí)，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(jì)一個(gè)懸浮式高壓恒流源。
TinySwitch-Ⅲ系列產(chǎn)品的性能特點(diǎn)
TinySwitch-Ⅲ系列產(chǎn)品包括TNY274P～TNY280P、TNY274G～TNY280G等共14種型號(hào)。該系列產(chǎn)品主要有以下特點(diǎn)：
● 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(diǎn)。該系列產(chǎn)品中除TNY274P/G之外，每種型號(hào)都有3種不同的極限電流值可供用戶選擇。其優(yōu)點(diǎn)是在用相鄰型號(hào)進(jìn)行替換時(shí)，無須重新設(shè)計(jì)高頻變壓器，也不用改變外圍元件。
● 用戶可分別從實(shí)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(jì)。選擇較高的漏極限流點(diǎn)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(fù)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(duì)待機(jī)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(hù)、輸出過電壓保護(hù)和功率開關(guān)管自適應(yīng)導(dǎo)通時(shí)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(gè)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(cè)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(shí)，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(diǎn)；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(shí)現(xiàn)輸出過電壓保護(hù)。
圖1 TinySwitch-Ⅲ的內(nèi)部框圖
TinySwitch-Ⅲ內(nèi)部集成了一個(gè)耐壓為700V的功率MOSFET和一個(gè)開/關(guān)控制器。與傳統(tǒng)的PWM控制器不同，它采用一個(gè)簡(jiǎn)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(cè)與邏輯電路，極限電流狀態(tài)機(jī)，欠電壓、過電流及過熱保護(hù)電路和自動(dòng)重啟動(dòng)計(jì)數(shù)器。
TinySwitch-Ⅲ的極限電流ILIMIT與旁路電容CBP的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1。以TNY279P/G為例，當(dāng)旁路電容CBP＝0.1μF時(shí)，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(shí)，選擇較低的極限電流ILIMIT-＝550mA；當(dāng)旁路電容CBP＝10μF時(shí)，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(jì)的最大優(yōu)點(diǎn)是能保證相鄰型號(hào)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(hào)TNY278P/G的極限電流值；而TNY279P/G的ILIMIT＋＝750mA，這正是相鄰型號(hào)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(jì)
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(diǎn)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(dá)65%，當(dāng)交流輸入電壓為230V時(shí)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(dòng)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(shí)，芯片可提供自供偏壓。但是當(dāng)18V＜u＜75V時(shí)，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(gè)懸浮式高壓電流源，以便在低壓時(shí)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。
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(shí)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(shí)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(dòng)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(gè)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(rèn)為由穩(wěn)壓管VDZ1給VT2的基極提供一個(gè)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(shí)UBE2近似為恒定電壓，因此UR5也為一個(gè)固定電壓，利用R5即可設(shè)定恒流值。然而，實(shí)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(huì)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(gè)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(shí)，由VT2給TNY280P提供恒定的偏置電流IB2，此時(shí)總偏置電流IB＝IB2。
2 當(dāng)偏置電壓UB＞50V時(shí)，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(shí)由VT1、VT2共同給TNY280P提供恒定的偏置電流，總偏置電流IB＝IB1＋I(xiàn)B2，其中的IB2＞IB1。
3 當(dāng)偏置電壓達(dá)到最大值（UB＝375V）時(shí)，主要由VT1提供恒定的偏置電流，IB＝IB1＋I(xiàn)B2，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(shí)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(shí)，開關(guān)周期將重新使能。
設(shè)計(jì)要點(diǎn)
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必須足夠小（實(shí)際選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(shí)會(huì)導(dǎo)致電流上升率di/dt增大，必要時(shí)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(huì)使空載功耗增大。
評(píng)論