超宽输入范围工业控制电源的设计

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在设计工业控制的辅助电源时,可采用美国PI公推出的TinySwitch-Ⅲ系列第三代微型开关电源。目前,世界通用的交流输入电压范围是u=85~265V。但是当18V<u<75V时,芯片就无法提供足够的偏压以维持正常工作,这就大大限制了TinySwitch-Ⅲ系列产品在低压领域的应用。为解决上述难题,使TinySwitch-Ⅲ在超低交流输入电压下也能正常工作,就需要从外部设计一个悬浮式高压恒流源。

TinySwitch-Ⅲ系列产品的性能特点

  TinySwitch-Ⅲ系列产品包括TNY274P~TNY280P、TNY274G~TNY280G等共14种型号。该系列产品主要有以下特点:

  ● TinySwitch-Ⅲ系列产品的最大输出功率为36.5W(TNY280P/G型)。通过选择BP/M端的电容量,可从外部设定内部漏极限流点。该系列产品中除TNY274P/G之外,每种型号都有3种不同的极限电流值可供用户选择。其优点是在用相邻型号进行替换时,无须重新设计高频变压器,也不用改变外围元件。

  ● 用户可分别从实现电源效率最大化、获得最大输出功率的角度来优化电源设计。选择较高的漏极限流点可获得更高的峰值功率,或者在敞开式电源模块中得到更高的连续输出功率;而较低的极限电流值可提高密封式电源适配器/电池充电器的效率。

  ● 传统的脉宽调制(PWM)式开关电源的效率随负载的减轻而明显降低。TinySwitch-Ⅲ则采用开/关控制方式,能满足对待机电源及空载功耗节能标准的要求,空载功耗低于150mW;增加偏置绕组后可降到50mW以下。

  ● 具有输入欠电压保护、输出过电压保护和功率开关管自适应导通时间延长功能。

TinySwitch-Ⅲ系列微型开关电源的工作原理

  TinySwitch-Ⅲ的内部框图如图1所示,其中,S、D分别为内部功率MOSFET的源极与漏极(4个源极在内部连通)。EN/UV为“使能/欠电压”双功能引出端,正常情况下,通过该端可控制功率MOSFET的通、断;若在该端与直流输入电压之间连接一只外部电阻,即可检测输入是否欠电压。BP/M为旁路/多功能端,单纯作旁路端使用时,该端与地(S极)之间接0.1μF的旁路电容。BP/M端还具有多功能端的特性:首先是改变旁路电容的容量,即可设定漏极限流点;其次,该端还能提供关断功能,具体方法是在反馈电压的输出端与BP/M端之间接一只稳压管,即可实现输出过电压保护。

 

图1 TinySwitch-Ⅲ的内部框图

  TinySwitch-Ⅲ内部集成了一个耐压为700V的功率MOSFET和一个开/关控制器。与传统的PWM控制器不同,它采用一个简单的开∕关控制器来调节输出电压。内部主要包括振荡器,5.85V稳压器,旁路端钳位用的6.4V稳压管,使能检测与逻辑电路,极限电流状态机,欠电压、过电流及过热保护电路和自动重启动计数器。

  TinySwitch-Ⅲ的极限电流ILIMIT与旁路电容CBP的对应关系见表1。以TNY279P/G为例,当旁路电容CBP=0.1μF时,选择标准极限电流ILIMIT=650mA(典型值,下同);当旁路电容CBP=1μF时,选择较低的极限电流ILIMIT-=550mA;当旁路电容CBP=10μF时,选择较高的极限电流ILIMIT+=750mA,三者之间依次相差100mA。这种设计的最大优点是能保证相邻型号之间具有良好的兼容性。例如,TNY279P/G的ILIMIT-=550mA,这恰好是相邻型号TNY278P/G的极限电流值;而TNY279P/G的ILIMIT+=750mA,这正是相邻型号TNY280P/G的极限电流值,余者类推。

 

超宽输入范围的工业控制电源的电路设计

  由TinySwitch-Ⅲ系列产品TNY280P构成3W超宽输入范围的工业控制电源的电路如图2所示。该电源的显著特点是交流电压输入范围极宽(18~265V),输出电压为+5V,输出电流为600mA。电源效率可达65%,当交流输入电压为230V时的空载功耗低于200mW。该电源的应用领域包括工业控制所用的辅助电源。

 

图2 由TNY280P构成3W超宽输入范围的工业控制电源的电路

  TinySwitch-Ⅲ系列产品能够正常启动和工作的最低漏极电压为50V。通常情况下,当交流输入电压u>85V时,芯片可提供自供偏压。但是当18V<u<75V时,芯片就无法提供足够的偏压以维持正常工作,这就大大限制了TinySwitch-Ⅲ系列产品在低压情况下的应用。为解决上述难题,使TinySwitch-Ⅲ在超低交流输入电压下也能正常工作,需要从TNY280P外部增加一个悬浮式高压电流源,以便在低压时给旁路端BP/M继续供电。悬浮式电流源的电路如图3所示。它包括7.5V稳压管VDZ1(1N5236B)、PNP型晶体管VT1(ZTX558)、NPN型晶体管VT2(ZTX458)、二极管VD2和VD4、电阻R4~R6。其中,VD2为半波整流管;VD4为隔离二极管,可将电流源与其他电路隔离开。

 


图3 悬浮式电流源的电路

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