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    行業資訊

    超寬輸入范圍工業控制電源的設計

    在設計工業控制的輔助電源時,可采用美國PI公推出的TinySwitch-Ⅲ系列第三代微型開關電源。目前,世界通用的交流輸入電壓范圍是 u=85~265V。但是當18V<u<75V時,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系列產品在低壓領域 的應用。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,就需要從外部設計一個懸浮式高壓恒流源。

    TinySwitch-Ⅲ系列產品的性能特點
    TinySwitch-Ⅲ系列產品包括TNY274P~TNY280P、TNY274G~TNY280G等共14種型號。該系列產品主要有以下特點:


    * TinySwitch-Ⅲ系列產品的Max輸出功率為36.5W(TNY280P/G型)。通過選擇BP/M端的電容量,可從外部設定內部漏極限流點。該系 列產品中除TNY274P/G之外,每種型號都有3種不同的極限電流值可供用戶選擇。其優點是在用相鄰型號進行替換時,無須重新設計高頻變壓器,也不用改 變外圍元件。


    * 用戶可分別從實現電源效率Max化、獲得Max輸出功率的角度來優化電源設計。選擇較高的漏極限流點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。


    * 傳統的脈寬調制(PWM)式開關電源的效率隨負載的減輕而明顯降低。TinySwitch-Ⅲ則采用開/關控制方式,能滿足對待機電源及空載功耗節能標準的要求,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、輸出過電壓保護和功率開關管自適應導通時間延長功能。

    TinySwitch-Ⅲ系列微型開關電源的工作原理
    TinySwitch- Ⅲ的內部框圖如圖1所示,其中,S、D分別為內部功率MOSFET的源極與漏極(4個源極在內部連通)。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,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,即可設定漏極限流點;其 次,該端還能提供關斷功能,具體方法是在反饋電壓的輸出端與BP/M端之間接一只穩壓管,即可實現輸出過電壓保護。

     

    圖1  TinySwitch-Ⅲ的內部框圖


    TinySwitch- Ⅲ內部集成了一個耐壓為700V的功率MOSFET和一個開/關控制器。與傳統的PWM控制器不同,它采用一個簡單的開∕關控制器來調節輸出電壓。內部主 要包括振蕩器,5.85V穩壓器,旁路端鉗位用的6.4V穩壓管,使能檢測與邏輯電路,極限電流狀態機,欠電壓、過電流及過熱保護電路和自動重啟動計數 器。


    TinySwitch-Ⅲ的極限電流ILIMIT與旁路電容CBP的對應關系見表1。以TNY279P/G為例,當旁路電容 CBP=0.1μF時,選擇標準極限電流ILIMIT=650mA(典型值,下同);當旁路電容CBP=1μF時,選擇較低的極限電流 ILIMIT-=550mA;當旁路電容CBP=10μF時,選擇較高的極限電流ILIMIT+=750mA,三者之間依次相差100mA。這種設計的優點是能保證相鄰型號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TNY278P/G的極限電流 值;而TNY279P/G的ILIMIT+=750mA,這正是相鄰型號TNY280P/G的極限電流值,余者類推。

     

    超寬輸入范圍的工業控制電源的電路設計
    由 TinySwitch-Ⅲ系列產品TNY280P構成3W超寬輸入范圍的工業控制電源的電路如圖2所示。該電源的顯著特點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65%,當交流輸入電壓為230V時的空載功耗低于200mW。該電源的應用 領域包括工業控制所用的輔助電源。

     

    圖2 由TNY280P構成3W超寬輸入范圍的工業控制電源的電路

     

    TinySwitch-Ⅲ系列產品能夠正常啟動和工作的低漏極電壓為50V。通常情況下,當交流輸入電壓u>85V時,芯片可提供自供偏壓。但是當 18V<u<75V時,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系列產品在低壓情況下的應用。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外部增加一個懸浮式高壓電流源,以便在低壓時給旁路端BP/M繼續供 電。懸浮式電流源的電路如圖3所示。它包括7.5V穩壓管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半導體公司(Zetex Semiconductors)生產的高反壓晶體管。其中,ZTX558屬于PNP型高反壓晶體管,主要參數為當基極開路時集電極-發射極的反向擊穿電壓 U(BR)CEO=-400V,當發射極開路時集電極–基極的反向擊穿電壓(亦即集電結反向擊穿電壓)U(BR)CBO=-400V,Max集電極電流 ICM=-200mA,共發射極電流放大系數hFE≤300,Max功耗PCM=1W。ZTX458則屬于NPN型高反壓晶體管,主要參數為 U(BR)CEO=400V,U(BR)CBO=400V,Max集電極電流ICM=300mA,hFE≤300,PCM=1W。


    18~265V 的交流電壓經過VD2半波整流后,得到呈脈動直流的偏置電壓UB,加至懸浮式電流源的輸入端。該電流源能在整個輸入電壓范圍內向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,則可認為由穩壓管VDZ1給VT2的基極提供一個參考電位UB2。由于VT2的發射結 電壓(UBE2)與R5上的壓降(UR5)之和就等于穩壓管的穩定電壓值UZ,而當環境溫度不變時UBE2近似為恒定電壓,因此UR5也為一個固定電壓, 利用R5即可設定恒流值。然而,實際上交流輸入電壓的范圍很寬,由穩壓管提供的偏置電流的變化范圍很大,這會導致所設定的恒流值發生偏移。要克服上述難 題,需要由PNP型晶體管VT1和R4再提供一個恒定的偏置電流。令VT1的發射結電壓為UBE1,通過R4所設定的恒定偏置電流 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系曲線


    1 當偏置電壓UB≈50V(即整流濾波后的直流輸入電壓UI≈50V)時,由VT2給TNY280P提供恒定的偏置電流IB2,此時總偏置電流IB=IB2。


    2 當偏置電壓UB>50V時,流過VT2的電流將線性地減小,而流過VT1的電流線性地增大,此時由VT1、VT2共同給TNY280P提供恒定的偏置電流,總偏置電流IB=IB1+IB2,其中的IB2>IB1。


    3 當偏置電壓達到Max值(UB=375V)時,主要由VT1提供恒定的偏置電流,IB=IB1+IB2,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,為反激式開關電源提供高壓直流。C1、C2還與電感器L構成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的超快恢復二極管,其反向恢復時間trr<25ns。輸出電壓由穩壓管 VDZ2、光耦合器PC817A中的LED壓降之和來設定。VDZ2采用4.3V穩壓管1N5229B,LED的正向壓降近似為1V,所設定的空載輸出電 壓為5.3V。


    TNY280P采用開/關控制方式,它經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部MOSFET的 開/關,使輸出電壓保持穩定。一旦從EN/UV端流出的電流超過關斷閾值電流(115μA),將跳過開關周期;當EN/UV端流出的電流小于關斷閾值電流 時,開關周期將重新使能。

    設計要點
    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),Max漏感量LP0=12μH。一次繞組的低諧振頻率為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?。▽嶋H選278μH),以便使TNY280P工作在連續模式的邊緣處。但是當LP較小時會導致電流上升率di/dt增大,必要時可選用TinySwitch-Ⅲ系列產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,否則會使空載功耗增大。


    標簽:  超寬輸入范圍 工業控制電源
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