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TinySwitch特性及其應(yīng)用TheCharacteristicsandApplicationsofTinySwitch

作者: 時間:2006-05-07 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

摘要:介紹應(yīng)用于小功率開關(guān)電源的控制器件?TinySwitch的特點(diǎn),并討論在待機(jī)電源和充電器中的應(yīng)用。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/233498.htm

Abstract:ThecharacteristicsofTinyswitchwhichisusedinlowpowerswitch

modepowersupplyareintroducedinthispaper,andapplicationsofTinySwitch

instand-bypowerSupplyandChargeraredwelledon.

關(guān)鍵詞:逐周電流限制跳周期

Keywords:Cyclebycyclecurrentlimited,Jumpcycle

1 引 言

  中大功率開關(guān)電源在市場上占有較大份額,然而小功率開關(guān)電源在很多場合,例如在待機(jī)電源中是必不可少的。TinySwitch特別適用于為用戶提供10W以下的隔離型開關(guān)電源。

  十多年以前以為用UC3842和MOSFET制作的分離元件開關(guān)電源,線路已較為簡單,但與其相比,TopSwitch制作的開關(guān)電源電路更加簡單。由于它們同樣是采用固定頻率PWM方式,其開關(guān)損耗幾乎與負(fù)載無關(guān),導(dǎo)致輕載時電源效率明顯降低。而采用TinySwitch除電路非常簡單外,同時還具有高效率、低成本的顯著特點(diǎn)。

2 Tiny Switch(253/254/255系列)簡介

  Tiny Switch把控制IC和功率MOSFET集成在一起,實(shí)際上只需四個功能引腳。

 ?。?)TinySwitch各引腳功能

  漏極(D):功率MOSFET漏極,為起動和穩(wěn)態(tài)工作提供工作電流。

  旁路(BP):內(nèi)接5.8V,外接濾波電容。正常工作時,旁路電容在TinySwitch中MOSFET導(dǎo)通期間為控制電路提供能量。

  使能(EN):功率MOSFET是否導(dǎo)通控制端。正常工作情況,EN端為高電平時,MOSFET導(dǎo)通;EN端為低電平時,MOSFET關(guān)斷。

 TinySwitch特性及其應(yīng)用TheCharacteristicsandApplicationsofTinySwitch 源極(S):功率MOSFET源極。

 ?。?)TinySwitch器件的突出特點(diǎn)

內(nèi)置芯片供電電源,省去外加輔助電源,可使輸出電壓不影響電路工作。

  控制方式采用逐周電流限制方式,可減小電流紋波。?跳周期?的工作方式通過改變有效的工作頻率,使開關(guān)損耗與負(fù)載呈線性比例,從而使不同負(fù)載情況下,電源均具有較高效率。

  內(nèi)置過熱保護(hù)電路之超溫閉鎖功能,確保開關(guān)電源安全工作。

3 TinySwitch的特性

  (1)TinySwitch控制方式

  TinySwitch功能框圖如圖1所示。

  芯片正常工作時,TinySwitch內(nèi)部振蕩器周期性起動MOSFET,每個周期內(nèi),由限流電路檢測MOSFET的電流,并將其與門限值比較,當(dāng)其超過門限(ILIMIT)時,功率MOSFET在此周期剩余時間內(nèi)關(guān)斷。也就是說,當(dāng)TinySwitch正常工作時,由限流電路對MOSFET進(jìn)行逐周電流限制,以決定功率MOSFET在每個周期內(nèi)的最大導(dǎo)通時間(tmax)。需要注意的問題是:MOSFET的電流是否會在tmax時間內(nèi)達(dá)到門限(ILIMIT)呢?這一點(diǎn)只要在電源設(shè)計(jì)時,選擇的TinySwitch器件在最低的輸入電壓時滿足功率要求,經(jīng)計(jì)算得出的變壓器初級電感便可使電流在tmax限制時間內(nèi)逐漸升至門限值ILIMIT)。

  TinySwitch內(nèi)部限流電路的門限值(ILIMIT)為常數(shù),內(nèi)部振蕩器把MOSFET的開關(guān)頻率設(shè)定為常數(shù),由于TinySwitch的門限值和頻率均為常數(shù),利用其進(jìn)行隔離型電源設(shè)計(jì),次級的(最大)輸出功率亦為常數(shù)。

  (2)TinySwitch工作模式

  反激式開關(guān)電源的輸出功率與門限值、變壓器初級電感和開關(guān)頻率相關(guān),即

TinySwitch特性及其應(yīng)用TheCharacteristicsandApplicationsofTinySwitch

  TinySwitch特性及其應(yīng)用TheCharacteristicsandApplicationsofTinySwitch那么,輸出功率一定的TinySwitch芯片是如何工作來滿足不同負(fù)載要求的呢?分析式(1),再結(jié)合芯片特點(diǎn),即可以得出結(jié)論。由于TinySwitch門限值和變壓器初級電感均為常數(shù),那么若想改變輸出功率P,只能著眼于開關(guān)頻率f,TinySwitch采用?跳周期?的工作方式,正是以改變功率MOSFET有效的開關(guān)頻率,以實(shí)現(xiàn)不同的功率輸出。

  在分析TinySwitch是如何?跳周期?時,先了解一下芯片的EN引腳。參照圖1,使能引腳電路中有一個設(shè)定為1.5V的源極跟隨輸入。輸入電流被10μA滯回的電流源箝位。在振蕩器時鐘信號(每個周期之始)的上升沿,對使能檢測電路的輸出取樣,若為高電平,此周期接通功率MOSFET,否則功率MOSFET在相應(yīng)周期保持截止,即跳過該工作周期,由于對EN引腳取樣僅在每個周期之始進(jìn)行一次,周期中使能引腳上的其它變化可不予考慮。這樣,可以通過EN端電平的不同對芯片進(jìn)行開/關(guān)控制。

  于是,可以通過控制TinySwitch開/關(guān)頻率來獲得不同的次級輸出功率。滿載時,讓inySwitch在大部分時鐘周期導(dǎo)通;不足滿載時,TinySwitch將?跳過?更多周期以保持次級輸出電壓穩(wěn)定;在輕載或空載時,幾乎跳過所有周期,只有一小部分周期導(dǎo)通以供給電源的功率消耗。不同負(fù)載工作情況的波形見圖2。

由于在不同輸出功率情況下,有效開關(guān)頻率不同,使得輸出功率不同,開關(guān)損耗也就不同。TinySwitch的開關(guān)損耗幾乎與輸出功率成線性比例,使得電源在各種輸出功率時都具有較高的效率。這是采用PWM方式開關(guān)模式電源(SMPS)望塵莫及的。應(yīng)用TinySwitch進(jìn)行設(shè)計(jì)的電源效率與一般開關(guān)模式電源的比較見圖3。

  TinySwitch在跳周期時,振蕩器頻率通常加倍(TNY255仍將保持130kHz)。這增加了使能引腳取樣率,使環(huán)路響應(yīng)速度更快,對保證輸出電壓的穩(wěn)定性非常有利。

  TinySwitch特性及其應(yīng)用TheCharacteristicsandApplicationsofTinySwitch(3)TinySwitch超溫閉鎖功能

  參見圖1,TinySwitch內(nèi)設(shè)熱關(guān)斷電路可檢測管芯結(jié)溫。熱關(guān)斷電路的門限為135℃,70℃滯回,當(dāng)結(jié)溫上升至超過門限時(135℃),熱關(guān)斷電路關(guān)斷功率MOSFET,直到管芯結(jié)溫下降到70℃時才會令其重新導(dǎo)通。

4 TinySwitch的典型應(yīng)用?隔離型待機(jī)電源

  用TinySwitch實(shí)現(xiàn)的小功率隔離型開關(guān)電源,體積小、成本低、設(shè)計(jì)電路簡單,其典型應(yīng)用如圖4所示。

  圖4為TinySwitch與反激式離線變換電路相結(jié)合實(shí)現(xiàn)高壓DC輸入的小功率DC電源。通過在次級將輸出電壓與一個參考電壓相比較產(chǎn)生使能信號。參考電壓取決于一個光耦發(fā)光二極管與一個齊納二極管之和。當(dāng)輸出電壓低于參考電壓時,使能信號為高電平,控制Tinyn Switch之MOSFET導(dǎo)通,為變壓器初級提供通路,向次級供電。當(dāng)輸出電壓超過參考電壓時,光耦二極管導(dǎo)通,將使能腳置低電平,使相應(yīng)周期MOSFET關(guān)斷,即MOSFET跳周期,從而保持輸出電壓穩(wěn)定。

  TinySwitch雖然工作于?跳周期?方式,但一旦一個周期開始,MOSFET總會完成整個周期,如此的工作方式使輸出電壓紋波由輸出電容、每個開關(guān)周期的能量和使能反饋的延時決定。TinySwitch通/斷控制電路的響應(yīng)時間與一般的PWM控制相比非常迅速,這使得線路具有很好的紋波抑制性能和瞬間響應(yīng)性能。

  TinySwitch特性及其應(yīng)用TheCharacteristicsandApplicationsofTinySwitch利用TinySwitch進(jìn)行電源設(shè)計(jì)的另一個好處是不需要輔助電源,參見圖4與圖1,當(dāng)MOSFET關(guān)斷時,5.8V通過來自漏極的電流將連接到旁路引腳上的旁路電容充電至5.8V,當(dāng)MOSFET導(dǎo)通,TinySwitch消耗存儲在旁路電容上的能量,TinySwitch內(nèi)部電路的功耗極低,使其能利用來自漏極引腳的電流連續(xù)工作。選取0.1μF的旁路電容已足以實(shí)現(xiàn)對高頻去耦和能量存儲。

5 應(yīng)用舉例?移動電話充電器

  不需要輔助電源的特點(diǎn),使TinySwitch特別適于做移動電話充電器。由于TinySwitch總是由輸入高壓供電,因而不需要偏置繞組。圖5顯示了一個使用TNY254的5.2V、3.6W移動電話充電器電路,在市電輸入電壓范圍內(nèi)(85V至256V)提供恒定電壓和電流輸出。交流輸入經(jīng)V1~V4、C1~C2整流濾波,產(chǎn)生與TYN254內(nèi)高壓MOSFET串聯(lián)的高壓直流總線。電感L1與C1和C2一起構(gòu)成型濾波器。電阻R1用于衰減電感L1的諧振。TNY254的低工作頻率(44kHz)使其可以采用如上述簡單的型濾波器與一個電容C8組合來滿足傳導(dǎo)EMI標(biāo)準(zhǔn)。V6、C4和R2組成箝位電路,將TinySwitch漏極引腳關(guān)斷電壓尖峰限制在安全值范圍內(nèi)。次級繞組經(jīng)V5和C5整流濾波提供5.2V輸出。L2和C6一起提供輔助濾波。輸出電壓由光耦V7的發(fā)光二極管的管壓降(約1V)和齊納二極管V9的電壓之和確定。電阻R8提供齊納二級管的偏置電流來改善電壓容差。用晶體管V8的UBE來檢測通過電流檢測電阻R4上的電壓,R3是一個基準(zhǔn)電流限制電阻。當(dāng)R4上的壓降超過晶體管V8的UBE時V8導(dǎo)通,并驅(qū)動光耦V7來取代環(huán)路控制。R6產(chǎn)生額外的壓降,使得控制環(huán)路工作輸出降至0V。由于輸出短路,R4和R6上的壓降足以保持V8和V7電路工作。電阻R7和R9限制了在輸出短路時,由R4和R6上的壓降產(chǎn)生的通過V9流入V8的正向電流。



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