基于TNY280的单片开关电源设计.docx
- 文档编号:5974485
- 上传时间:2023-01-02
- 格式:DOCX
- 页数:31
- 大小:451.13KB
基于TNY280的单片开关电源设计.docx
《基于TNY280的单片开关电源设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于TNY280的单片开关电源设计.docx(31页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
基于TNY280的单片开关电源设计
摘要
随着开关电源在计算机、通信、航空航天、仪器仪表及家用电器等方面的广泛应用,人们对其需求量日益增长,并且对电源的效率、体积、重量及可靠性等方面提出了更高的要求。
开关电源以其效率高、体积小、重量轻等优势在很多方面逐步取代了效率低、又笨又重的线性电源。
开关电源由于其体积小,宽电压输入、效率高,在用电设备中应用非常广泛。
本课题采用TNY280单片集成芯片来设计开关电源,设计功率为12W,一路输出电源模块,同时兼有后备电源功能,保证在正常供电时能提供一个稳定的直流稳压电源同时能在一些特殊场合当外加电源断电时采用后备电源继续为其供电。
关键词:
开关电源,单片集成电源芯片,后备电源
ABSTRACT
Withtheswitchingpowersupplyinthecomputer,communications,aerospace,instrumentsandappliancessuchasextensiveuseofthegrowingdemandofitspeople,andtheefficiencyofthepower,volume,weightandreliabilityhavebeenproposedforrequirements.Switchingpowersupplywithitshighefficiency,smallsizeandlightweightadvantagesofgraduallyreplacedinmanywaysinefficient,heavy,clunky,linearpowersupply.Switchingpowersupplybecauseofitssmallsize,widevoltageinput,highefficiency,intheapplicationofawiderangeofelectricalequipment.ThistopicusedtodesignTNY280monolithicchipswitchingpowersupply,designpoweris12W,thewaytheoutputpowersupplymodules,backuppowerfunctionwithbothtoensurethatwhenthenormalpowersupplytoprovideastableDCpowersupplywhileinspecialoccasionswhentheexternalpowersupplywhenpowersupplywithbackuppowertoits.
Keywords:
SwitchingPowerSupply,MonolithicPowerChip,Backuppower
2.TNY280的概述2
4.主要元器件的选择19
4.1.整流二极管DB10719
5.PCB板的设计及硬件(电路)调试25
5.2调试29
5.3索尼18650电池29
1.绪论
众所周知,在现代开关电源诞生之前,线性电源占据着主导地位。
线性电源采用工频变压器,通过线性调节器调整输出电压,而且输出需要并联大容量电容以滤除电压纹波。
由线性电源到开关电源是电源技术发展史上的第一次飞跃。
20世纪50年代末,Royer发明了多谐振荡器,将直流信号变为交变的矩形波,磁放大器的相位控制因此也就变为导通或关断时间在整个矩形波中所占比例的控制,即时间比例控制,为PWM控制技术。
早期PWM开关电源的转换效率可以达到65%-70%,远远超过了线性电源30%-40%的转换效率,而如今开关电源的转换效率更是能达到90%以上。
随着开关电源在计算机、通信、航空航天、仪器仪表及家用电器等各方面的广泛应用,人们对其需求量日益增长,并且对电源的效率、体积、重量及可靠性等方面提出了更高的要求。
开关电源以其效率高、体积小、重量轻等优势在很多方面逐步取代了效率低、又笨又重的线性电源。
电力电子技术的发展,特别是大功率器件IGBT和MOSFET的迅速发展,将开关电源的工作频率提高到相当高的水平,使其具有高稳定性和高性价比等特性。
开关电源技术的主要用途之一是为信息产业服务。
信息技术的发展对电源技术又提出了更高的要求,从而促进了开关电源技术的发展。
开关电源的高频变换电路形式很多,常用的变换电路有推挽、全桥、半桥、单端正激和单端反激等形式。
其中,在半桥式变换器电路中,变压器初级在整个周期中都流过电流,磁芯利用得更加充分。
开关电源的技术主要分为两种:
一种是电压模式控制技术;另一种是电流模式控制技术。
最初在开关电源中采用的是电压模式控制技术,该系统为单环控制系统,最大的缺点是没有电流反馈信号。
由于电流要流经电感,因此相应的电压信号会有一定延迟。
对于稳压电源而言,需要不断地对输入电流进行调节,以适应输入电压以及负载变化的要求,从而达到稳定输出电压的目的。
因此采用电压模式控制,稳压响应速度会比较慢【6】,[7],[8]。
针对电压模式控制技术的不足,电流模式控制技术逐渐发展起来。
所谓电流模式控制,就是在PWM比较器的输入端直接用输出电感电流检测信号与误差放大器的输出信号进行比较,实现对输出脉冲占空比的控制,使输出电感的峰值电流跟随误差电压变化。
这种控制方式可以有效改善开关电源的电压调整率和电流调整率,也可以改善整个系统的瞬态响应。
电流模式控制技术又可分为峰值电流模式控制技术和平均电流模式控制技术。
其中,峰值电流模式控制更为方便、快捷,但需要稳定性补偿;而平均电流模式控制的应用更为普遍。
1.1选题背景及其意义
随着用电设备的要求不断提高以及体积越来越小,传统的线性电源虽然设计简单方便使用的器件较少,纹波能满足用电设备的要求,但是要求输出功能变大时,变压器的体积是一个很大的问题,并用电设备的成本也随之升高。
开关电源体积小,宽输入电压,而且使用合理的元器件,输出的纹波低,保护功能强,价格上也可以接近线性电源,甚至更低。
本课题使用PI(美国功率集成公司)的TinySwitch-III(TNY280)作为开关电源的控制芯片设计电源模块,一路输出,功率为12W。
同样,该系列单片控制芯片(TNY274-280)管脚统一,可以灵活的进行替换,已达到最好的性价比。
开关电源被誉为高效节能型电源。
它代表着稳压电源的发展方向,现已成为稳压电源的主流产品。
使其通过对工程项目的设计实践。
意义:
融会贯通所学基础知识与专业知识,提高所学知识的综合应用能力,加强计算机辅助电器设计的实际动手能力。
开关电源是利用电力电子技术,控制开关管开通和关断的时间比率,维持稳定输出电压的一种电源,开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM)控制IC和MOSFET构成。
开关电源和线性电源相比,二者的成本都随着输出功率的增加而增长,但二者增长速率各异。
线性电源成本在某一输出功率点上,反而高于开关电源,这一点称为成本反转点。
随着电力电子技术的发展和创新,使得开关电源技术也在不断地创新,这一成本反转点日益向低输出电力端移动,这为开关电源提供了广阔的发展空间。
开关电源高频化是其发展的方向,高频化使开关电源小型化,并使开关电源进入更广泛的应用领域,特别是在高新技术领域的应用,推动了高新技术产品的小型化、轻便化。
另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。
2.TNY280的概述
2.1TNY280功能介绍
图2-1TNY280内部结构图
TNY280内部集成了一个700V的功率MOSEFT、振荡器、高压开关电流源、流线状态调节器、5.85V稳压器、旁路引脚欠压及过压电路、电流限流选择电路、过热保护、电流限流电路,前沿消隐电路。
引脚功能描述
漏极(D)引脚:
功率MOSFET的漏极连接点。
在开启及稳态工作时提供内部操作电流。
旁路/多功能(BP/M)引脚:
这一引脚有多项功能:
(1).一个外部旁路电容连接到这个引脚,用于生成内部5.85V的供电电源。
(2).作为外部限流点设定,根据所使用电容的数值选择电流限流值。
使用数值为0.1μF的电容会工作在标准的电流限流值上。
对于TNY275-280,使用数值为1μF的电容会将电流限流值降低到相邻更小型号的标准电流限流值。
使用数值为10μF的电容会将电流限流值增加到相邻更大型号的标准电流限流值。
(3).它还提供了关断功能,在输入掉电时,当流入旁路引脚的电流超过ISD时关断器件,直到BP/M电压下降到4.9V之下。
还可将一个稳压管从BP/M引脚连接到偏置绕组供电端实现输出过压保护。
使能/欠压(EN/UV)引脚:
此引脚具备两项功能:
输入使能信号和输入线电压欠压检测。
在正常工作时,通过此引脚可以控制功率MOSFET的开关。
当从此引脚拉出的电流大于某个阈值电流时,MOSFET将被关断。
当此引脚拉出的电流小于某个阈值电流时,MOSFET将被重新开启。
对阈值电流的调制可以防止群脉冲现象的发生。
阈值电流值在75μA到115μA之间。
在EN/UV引脚和DC电压间连接一个外部电阻可以用来感测输入电压的欠压情况。
如果没有外部电阻连接到此引脚,TinySwitch-III可检测出这一情况并禁止输入电压欠压保护功能。
源极(S)引脚:
内部连接到MOSFET的源极,用于高压功率的返回节点及控制电路的参考点。
2.1.1旁路引脚欠压
在稳态工作下,当旁路/多功能引脚电压下降到4.9V以下时,旁路/多功能引脚欠电压将关断功率MOSFET。
在稳态工作下一旦旁路/多功能引脚电压下降到4.9V之下,它必须再上升回5.85V才可重新开启功率MOSEFT。
2.1.2过热保护
热关断电路检测结的温度。
阀值设置在142℃并具备75℃的迟滞范围。
当温度超过这个阀值,功率MOSEFT关闭,直到温度下降75℃,MOSEFT才会重新开启。
采用75℃的迟滞可防止因持续故障而使PCB版出现过热现象。
2.1.3电流限流
电流限流电路检测功率MOSEFT的电流。
当电流超过内部阀值时,在该周期剩余阶段会关断功率MOSFET。
电流限流状态调节器在中轻度负载条件下已非连续方式降低电流限流阀值。
在功率MOSFER开启后,前沿消隐电路会将电流限流比较器抑制片刻。
通过设置前沿消隐时间,可以防止由电容及次级整流管反向恢复时间产生的电流尖峰引起开关脉冲的提前误关断。
2.1.4自适应的开关周期导通时间延长
自适应开关周期导通延长是指在初级电流未达到电流限流点钱继续保持次开关周期导通,而不是在最大占空比达到后提前结束此周期。
这一特性降低了维持稳压所需的最小输入电压,延长了维持时间并降低了所需电解电容的尺寸。
导通时间延长功能在电源通电开启时被禁止,直到电源输出电压达到稳定时。
2.1.5输入欠压检测电路
连接在直流电压与EN、UV引脚间的外接电阻可用于检测直流输入电压。
在通电或自动重启动时功率MOSFET开关禁止期间,流入EN/UV应缴的电流必须超过25μA,以启动功率MOSFET。
在通电时,旁路/多功能引脚在欠压情况下会被维持在4.9V上升到5.85V。
如果在自动重启动的功率MOSFET禁止开关期间出现欠压情况,则自动重启动计数器会停止计数。
这使禁止时间从正常的2.5秒延长到欠压消除为止。
欠压电路还能同时检测到没有外部电阻连接到EN/UV引脚的状况。
在此情况下则禁止欠压保护功能。
2.1.6最低的系统成本及更出色的灵活性
•简单的开/关控制,无需环路补偿
•通过BP/M引脚电容值可选择不同的电流限流点
-更高的电流限流点可得到更高的峰值功率,或在开放式应用中得到更高的连续输出功率
-更低的电流限流点可提高封闭式适配器/充电器设计的效率
-可允许TinySwitch-III系列相邻产品之间相互替换,而无需重新设计电路
•严格的I2f参数公差范围降低系统成本
-高效利用MOSFET及磁芯材料的功率输出能力
-降低了最大过载功率,从而降低变压器、初级箝位及次级元件的成本
•导通时间延长-更低输入电压下维持输出的稳定/维持时间,可以使用更低容量的输入电解电容
•自偏置:
无需偏置绕组或偏置元件
•频率抖动降低EMI滤波成本
•引脚布局简化了PCB板上的散热铺铜的设计
•源极引脚为“电气”上的安静点,从而降低了EMI增强的安全及可靠性能
•精确的迟滞热关断保护并具备自动恢复功能,无需人工重新置位
•改善的自动重启动功能在短路及开环故障状况下实现<3%的最大输出功率
•可选择使用Zener实现输出过压关断
•可选择使用一个电阻来设置输入欠压保护阈值
•元件数目很少,增强可靠性及实现单面印刷电路板的布局
•高带宽提供快速的无过冲启动及出色的瞬态负载响应
•扩大了漏极与其它引脚间的爬电距离,提高了应用的可靠性
•轻松满足全球所有节能标准
•在265VAC输入时,无偏置绕组下的空载能耗<150mW;有偏置绕组时空载能耗<50mW
•开/关控制可在极轻负载时具备恒定的效率-是达到强制性CEC标准及1W待机要求的理想选择
2.2TNY280的工作原理
TinySwitch-III检测EN/UV引脚来判定是否进入下一个开关周期。
周期序列用于确定流限。
一个周期一旦开始,就会完成整个周期(即使在周期进行中途EN/UV引脚状
态发生变化也是如此)。
这种工作方式使得电源的输出电压纹波由输出电容、每一开关周期传输的总能量及反馈延时决定。
电源输出电压与参考电压在次级比较产生EN/UV引脚信号。
当电源输出电压低于参考电压时,EN/UV引脚信号为高状态。
图2-2接近满载时的操作
在典型的应用当中,EN/UV引脚由光耦驱动。
光耦晶体管的集电极连接到EN/UV引脚,发射极连接到源极引脚。
将光耦LED与一个齐纳二极管串联接在需稳压的直流输出电压两端。
当输出电压超出目标稳压值时(光耦二极管压降加上齐纳二极管电压),光耦LED开始导通,将EN/UV引脚拉低。
如要改善精度,齐纳二极管可用TL431参考电路替代。
TinySwitch-III的内部时钟始终工作。
它在每个时钟周期上升沿取样EN/UV引脚来决定是否执行一个开关周期,并根据多个周期的取样序列确定适当的流限。
重负载时,
流限状态调节器将流限设置到最高值。
负载减轻时,流限状态调节器会相应将流限值的设置降低。
接近最大负载时,TinySwitch-III将在大部分时钟周期内导通。
当负载稍轻时,它会“跳过”附加周期以保持电源输出电压的稳定。
在中等负载时,将跳过更多周期并降低电流限流值。
在负载极轻时,流限会更加降低。
仅有少部分的周期导通以供给电源本身的功率消耗。
TinySwitch-III的开/关控制电路的响应时间比PWM控制要迅速得多,可获得精确的稳压精度及出色的瞬态响应特性。
2.2.1通电/断电
TinySwitch-III的旁路/多功能引脚上仅需要一个0.1μF的电容即可实现标准的电流限流。
由于容量很小,电容的充电时间极短,通常为0.6ms。
充电时间与选择了不同
电流限流的相应旁路/多功能引脚电容值成正比。
由于开/关反馈的高带宽,电源输出无过冲。
当在直流输入正极与EN/UV引脚间连接一个外部电阻(4MΩ),在通电期间功率MOSFET开关将被延迟,直到直流电压超过阈值(100V)之后。
图10及图11显示了EN/UV引脚在有外接电阻及没有外接电阻(4MΩ)的应用中,TinySwitch-III的通电时序波形。
在启动及过载状态下,当导通时间少于400ns时,器件将降低开关频率以维持对峰值漏极电流的控制。
断电时,如果使用了外接电阻,功率MOSFET在输出失调后仍将继续开关64ms。
之后由于低压时欠压保护功能禁止MOSFET重启动,功率MOSFET将保持关断而不会造成输出的不良波动。
图12显示了一个典型的断电时序波形。
此处在EN/UV引脚采用了一个外接电阻(4MΩ)以避免重启动。
TinySwitch-III直接由漏极引脚供电,因此无需偏置绕组来为芯片提供供电(参考上述功能描述)。
益处体现在两个方面:
首先,对于一般应用,这节约了偏置绕组及相关元件的成本;其次,对于电池充电器应用,电流-电压特性常要求输出电压降至接近0V时仍保持有功率输出。
图2-3在较重负载时的操作
TinySwitch-III器件以流限模式工作。
开启时,振荡器在每个周期开始时开通功率MOSFET。
电流上升到流限值或达到DCMAX的极限时关断MOSFET。
由于TinySwitch-III设计的最高流限值与频率是定值,它提供给负载的功率与变压器初级电感及峰值初级电流的平方成正比。
因此,电源的设计包括计算实现最大输出功率所需的变压器初级电感。
如果根据功率选择了正确的TinySwitch-III,那么流过电感内的电流会在达到DCMAX极限前上升到流限值。
TinySwitch-III在无需正向偏置绕组及许多相关元件的情况下就可实现。
如果应用要求空载功耗非常低(50mW),可在偏置绕组与旁路/多功能引脚间连接一个电阻来向芯
片供电。
建议最小供电电流在1mA以上。
此时旁路/多功能引脚将箝位在6.4V。
这种方法将不再由漏极供电,降低空载功耗并提高满载效率。
电流限流工作方式各开关周期在漏极电流达到器件的电流限流值时终止。
流限工作能很好得抑制线电压纹波,并提供不受输入电压影响的恒定输出功率。
旁路/多功能引脚电容旁路/多功能引脚可使用一个数值为0.1μF的小陶瓷电容来实现TinySwitch-III内部电源的去耦。
另外可使用更大的电容来调节流限。
对于TNY275-280而言,一个1μF的BP/M引脚电容将选择一个与相邻更小型号相同的流限值,一个10μF的BP/M引脚电容将选择一个与相邻更大型号相同的流限值。
TNY280更高的流限值通常设定在850mA。
TNY274的MOSFET没有提高流限的能力,因此不具备此项特性。
2.2.2过压保护
TinySwitch-III内部的锁存电路可以实现对输出电压的过压保护。
该电路由流入BP/M引脚的约为5.5mA的阈值电流触发。
BP/M引脚电容除起到内部滤波的作用,还作为
外部滤波器,避免噪音信号引起保护电路的误触发。
为使旁路电容达到有效的高频滤波,应将电容尽量放置在距器件源极和BP/M引脚最近的地方。
为最好发挥OVP功能,建议使用一个相对高的、范围在15V-30V的偏置绕组电压。
这可以减低偏置绕组上由漏感引起的误差电压影响,并保证空载时有足够电压供应给BP/M引脚,以降低空载功耗。
在大多数设计中实现OVP的功能,齐纳二极管的电压应比偏置绕组电压高出6V左右(偏置绕组电压为22V时齐纳二极管的电压为28V),但也可因漏感值的变化进行调整。
此外,也可将一个小电阻(10Ω到47Ω)与偏置绕组二极管及/或OVP齐纳二极管串联接入,作为额外的滤波,电阻同样可以控制流入BP/M引脚的最大电流。
2.2.3降低空载功耗
TinySwitch-III可通过BP/M引脚电容进行自供电,因此无需在变压器上使用辅助或偏置绕组。
265VAC输入、自供电下的典型空载功耗<150mW。
增加偏置绕组后,可
由更低的偏置电压向TinySwitch-III供电,并抑制了内部高压电流源供电,从而将空载功耗降低到<50mW。
应选择合适的电阻值来实现数据手册内所注明的漏极供电电流。
在实际设计时,由于低负载时偏置电压随之降低,最初选定一个电阻值使得供电电流为数据手册中规定的最大电流的140%,然后再增大电阻的数值以满足最低空载功耗的要求。
2.2.4噪音
在TinySwitch-III中使用的周期跳频模式能使变压器产生音频噪音。
为抑制噪音,应将变压器的峰值磁芯磁通密度设计在低于3000高斯(300mT)之下。
按照如下设计指
南使用标准浸漆的变压器制造技术,就能够消除噪音。
不推荐真空浸漆的变压器,因为这种方法会导致很高的初级分布电容,从而增大开关损耗。
更高的磁通密度也是可行的,然而必须仔细对变压器噪音进行评估,最好在设计确认前使用生产过程中的变压器样品进行测试。
在箝位电路中使用像Z5U介质的陶瓷电容同样会产生噪音。
在这种情况下,尝试使用其他不同介质材料或结构的电容,例如薄膜型电容。
2.2.5PCB板漏电流
TinySwitch-III的设计理念是在整个功率范围内,尤其是在待机及空载情况下实现效率的最优化。
为实现这一性能,TinySwitch-III的电流损耗已经降至最低。
例如
EN/UV引脚输入电压欠压检测电路被专门设计成可在极低的电流输入下(~1μA)检测输入电压状况,从而将功率损耗降到最低。
当PCB板的装配环境控制良好时,流入EN/UV引脚的寄生漏电流通常都低于1μA的阈值。
然而,在空气潮湿并伴有PCB板及/或封装的污染,如使用低成本的“免洗助焊剂”进行焊接或存在其他污染时,将会降低PCB板
表面的电阻率,令大于1μA的寄生漏电流流入EN/UV引脚。
这些电流可从附近电压较高的焊盘流入EN/UV引脚,如BP/M引脚焊盘,从而阻止器件启动。
如果设计中在高压母线及EN/UV引脚间放置了一个连接电阻以实现欠压锁定功能,则不受任何影响。
在某些生产环境中,如果无法控制在完成焊接后PCB板的污染程度,如开放式应用或生产环境的污染程度较高,并且设计未使用欠压锁定的功能,可以在EN/UV引脚和源极引脚间放置一个备选的390kΩ电阻以确保流入EN/UV引脚的寄生漏电流低于1μA。
注意如果根据供应商的指导使用免洗助焊剂,PCB板表面绝缘电阻(SIR)通常大于10MΩ,因此将不会出现此类问题。
3基于TNY280的开关电源设计
3.1芯片型号的选择(TNY280)
表3-1输出功率表
输出功率表
产品
230VAC±15%
85-265VAC
适配器
峰值或开放值
适配器
峰值或开放值
TNY274P或G
6W
11W
5W
8.5W
TNY275P或G
8.5W
15W
6W
11.5W
TNY276P或G
10W
19W
7W
15W
TNY277P或G
13W
23.5W
8W
18W
TNY278P或G
16W
28W
10W
21.5W
TNY279P或G
18W
32W
12W
25W
TNY280P或G
20W
36.5W
14W
28.5W
3.1.1TNY280封装图
图3-1TNY280封装图
3.2设计软件PI-Expert
Power Integrations公司(PI)6.0版本PI Expert Suite设计软件,面向开关电源设计。
采用这项基于个人电脑的软件包,凡是使用PI公司集成电路的反激式转换器、正激式转换器、降压转换器和降压-升压转换器都可以自动地进行设计,大量地缩短设计时间,并加快将产品推入市场的步伐。
PI Expert Suite通过用户输入所需的电源特性,自动确定适合的元件而生成一个高效率的电源。
其直观的图形接口包括交互式电路图和一个设计向导,可引导用户完成最佳电路拓扑。
3.2.1PI-Expert6.5的主要特点
(1)PIExpert6.5是基于PC的设计软件,它能根据设计人员输入的技术指标,确定开关电源的最佳拓扑电路,包括元器件的选择(确定输入滤波电容、一次侧箝位保护电路、高频变压器、输出整流管等关键元器件的型
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 TNY280 单片 开关电源 设计
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)