Tiny Switch 特 性 及 其 應(yīng) 用

The Characteristics and Applications of Tiny Switch

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摘要：介紹應(yīng)用于小功率開(kāi)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。

Abstract: The characteristics of Tiny switch which is used in low power switch mode power supply are introduced in this paper, and applications of Tiny Switch in stand－ by power Supply and Charger are dwelled on.

關(guān)鍵詞：逐周電流限制跳周期

Keywords:Cycle by cycle current limited， Jump cycle

1引言

　　中大功率開(kāi)關(guān)電源在市場(chǎng)上占有較大份額，然而小功率開(kāi)關(guān)電源在很多場(chǎng)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(kāi)關(guān)電源。

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

2TinySwitch（253/254/255系列）簡(jiǎn)介

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

　?。?）TinySwitch各引腳功能

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

　　?旁路（BP）：內(nèi)接5.8V穩(wěn)壓器，外接濾波電容。正常工作時(shí)，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(shí)，MOSFET導(dǎo)通；EN端為低電平時(shí)，MOSFET關(guān)斷。

　　?源極（S）：功率MOSFET源極。

　　（2）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?！疤芷凇钡墓ぷ鞣绞酵ㄟ^(guò)改變有效的工作頻率，使開(kāi)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(guò)熱保護(hù)電路之超溫閉鎖功能，確保開(kāi)關(guān)電源安全工作。

圖1功能框圖

3TinySwitch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(shí)，TinySwitch內(nèi)部振蕩器周期性起動(dòng)MOSFET，每個(gè)周期內(nèi)，由限流電路檢測(cè)MOSFET的電流，并將其與門(mén)限值比較，當(dāng)其超過(guò)門(mén)限(ILIMIT）時(shí)，功率MOSFET在此周期剩余時(shí)間內(nèi)關(guān)斷。也就是說(shuō)，當(dāng)TinySwitch正常工作時(shí)，由限流電路對(duì)MOSFET進(jìn)行逐周電流限制，以決定功率MOSFET在每個(gè)周期內(nèi)的最大導(dǎo)通時(shí)間（tmax）。需要注意的問(wèn)題是：MOSFET的電流是否會(huì)在tmax時(shí)間內(nèi)達(dá)到門(mén)限（ILIMIT）呢？這一點(diǎn)只要在電源設(shè)計(jì)時(shí)，選擇的TinySwitch器件在最低的輸入電壓時(shí)滿足功率要求，經(jīng)計(jì)算得出的變壓器初級(jí)電感便可使電流在tmax限制時(shí)間內(nèi)逐漸升至門(mén)限值（ILIMIT）。

　　TinySwitch內(nèi)部限流電路的門(mén)限值（ILIMIT）為常

（a）TinySwitch重負(fù)載工作

（b）TinySwitch中負(fù)載工作

（c）TinySwitch輕負(fù)載工作

圖2不同負(fù)載時(shí)的波形

數(shù),內(nèi)部振蕩器把MOSFET的開(kāi)關(guān)頻率設(shè)定為常數(shù)，由于TinySwitch的門(mén)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(jí)的（最大）輸出功率亦為常數(shù)。

　　(2)TinySwitch工作模式

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

P=0.5I2Lf（1）

　　那么，輸出功率一定的TinySwitch芯片是如何工作來(lái)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(mén)限值和變壓器初級(jí)電感均為常數(shù)，那么若想改變輸出功率P，只能著眼于開(kāi)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(kāi)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(shí)，先了解一下芯片的EN引腳。參照?qǐng)D1，使能引腳電路中有一個(gè)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(shí)鐘信號(hào)（每個(gè)周期之始）的上升沿，對(duì)使能檢測(cè)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(guò)該工作周期，由于對(duì)EN引腳取樣僅在每個(gè)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(guò)EN端電平的不同對(duì)芯片進(jìn)行開(kāi)/關(guān)控制。

　　于是，可以通過(guò)控制TinySwitch開(kāi)/關(guān)頻率來(lái)獲得不同的次級(jí)輸出功率。滿載時(shí)，讓TinySwitch在大部分時(shí)鐘周期導(dǎo)通；不足滿載時(shí)，TinySwitch將“跳過(guò)”更多周期以保持次級(jí)輸出電壓穩(wěn)定；在輕載或空載時(shí)，幾乎跳過(guò)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(jiàn)圖2?！　∮捎谠诓煌敵龉β是闆r下，有效開(kāi)關(guān)頻率不同，使得輸出功率不同，開(kāi)關(guān)損耗也就不同。TinySwitch的開(kāi)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(shí)都具有較高的效率。這是采用PWM方式開(kāi)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(kāi)關(guān)模式電源的比較見(jiàn)圖3。

圖3輸出功率與效率關(guān)系

　　TinySwitch在跳周期時(shí)，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(duì)保證輸出電壓的穩(wěn)定性非常有利。

　　(3)TinySwitch超溫閉鎖功能

　　參見(jiàn)圖1，TinySwitch內(nèi)設(shè)熱關(guān)斷電路可檢測(cè)管芯結(jié)溫。熱關(guān)斷電路的門(mén)限為135℃，70℃滯回，當(dāng)結(jié)溫上升至超過(guò)門(mén)限時(shí)（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(shí)才會(huì)令其重新導(dǎo)通。

4TinySwitch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(kāi)關(guān)電源，體積小、成本低、設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單，其典型應(yīng)用如圖4所示。

圖4典型的備用電源應(yīng)用

　　圖4為T(mén)inySwitch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(guò)在次級(jí)將輸出電壓與一個(gè)參考電壓相比較產(chǎn)生使能信號(hào)。參考電壓取決于一個(gè)光耦發(fā)光二極管與一個(gè)齊納二極管之和。當(dāng)輸出電壓低于參考電壓時(shí)，使能信號(hào)為高電平，控制TinySwitch之MOSFET導(dǎo)通，為變壓器初級(jí)提供通路，向次級(jí)供電。當(dāng)輸出電壓超過(guò)參考電壓時(shí)，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(gè)周期開(kāi)始，MOSFET總會(huì)完成整個(gè)周期，如此的工作方式使輸出電壓紋波由輸出電容、每個(gè)開(kāi)關(guān)周期的能量和使能反饋的延時(shí)決定。TinySwitch通/斷控制電路的響應(yīng)時(shí)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。

　　利用TinySwitch進(jìn)行電源設(shè)計(jì)的另一個(gè)好處是不需要輔助電源，參見(jiàn)圖4與圖1，當(dāng)MOSFET關(guān)斷時(shí)，5.8V穩(wěn)壓器通過(guò)來(lái)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)通時(shí)，TinySwitch消耗存儲(chǔ)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(lái)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(duì)高頻去耦和能量存儲(chǔ)。

5應(yīng)用舉例—移動(dòng)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(dòng)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(gè)使用TNY254的5.2V、3.6W移動(dòng)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(jiǎn)單的?型濾波器與一個(gè)電容C8組合來(lái)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(jí)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(jí)管的偏置電流來(lái)改善電壓容差。用晶體管V8的UBE來(lái)檢測(cè)通過(guò)電流檢測(cè)電阻R4上的電壓，R3是一個(gè)基準(zhǔn)電流限制電阻。當(dāng)R4上的壓降超過(guò)晶體管V8的UBE時(shí)V8導(dǎo)通，并驅(qū)動(dòng)光耦V7來(lái)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(shí)，由R4和R6上的壓降產(chǎn)生的通過(guò)V9流入V8的正向電流。

圖53.6W恒壓恒流移動(dòng)電話充電電路