基于TinySwitch-III（TNY278PN）的12W電源設計解析

一、引言

在電子設備的設計中，電源模塊是至關重要的一環(huán)。今天我們要探討的是一款基于TinySwitch - III家族的TNY278PN芯片設計的12V、1A通用輸入反激式電源。該電源設計具有諸多亮點，不僅滿足各種能效標準，還具備出色的性能和靈活的配置選項。

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二、電源規(guī)格

輸入?yún)?shù)

• 輸入電壓范圍為85 - 265VAC，頻率為47 - 64Hz。在230VAC無負載輸入功率方面，無偏置繞組支持時為0.15W，有偏置繞組支持時可低至0.05W。

  輸出參數(shù)

• 輸出電壓為12V，輸出電流為1A，輸出紋波電壓不超過100mV，連續(xù)輸出功率為12W，過壓關斷電壓為15 - 18V。

  效率與其他特性

• 要求在25%、50%、75%和100%負載下的平均效率符合相關標準，滿載效率達到75%，超過標準要求的71.3%。同時，該電源滿足CISPR22B/EN55022B傳導EMI標準，設計滿足IEC950、UL1950 Class II安全要求，能承受1.2/50μs的1kV差模浪涌和2kV共模浪涌，環(huán)境溫度范圍為0 - 50°C。

三、電路設計

輸入整流與濾波

• 由二極管D1 - D4對交流輸入進行整流，電容C1和C2對整流后的直流進行濾波。電感L1、C1和C2構成π型濾波器，有效衰減差模傳導EMI。

  TNY278PN芯片工作原理

• TNY278PN芯片集成了振蕩器、開關控制器、啟動和保護電路以及功率MOSFET。在開關周期開始時，控制器開啟MOSFET，電流在變壓器初級繞組中上升，存儲能量。當電流達到極限閾值時，控制器關閉MOSFET，存儲的能量通過變壓器次級繞組傳遞到輸出電容。漏感產(chǎn)生的電壓尖峰由RCD鉗位網(wǎng)絡（D5、C4和R2）限制，電阻R1和VR1在輸出過載時進行硬鉗位。
• 芯片采用ON/OFF控制，根據(jù)EN/UV引腳的反饋跳過開關周期來調(diào)節(jié)輸出電壓。為避免群脈沖，EN引腳閾值電流在115μA和60μA之間調(diào)制?？刂破鞲鶕?jù)負載需求將MOSFET電流限制閾值調(diào)整為四個級別，確保有效開關頻率高于可聽范圍，減少變壓器的可聽噪聲。

  輸出整流與濾波

• 二極管D7對變壓器T1的輸出進行整流，采用低ESR電容C10來最小化輸出電壓紋波，后置濾波器（鐵氧體磁珠L2和電容C11）進一步衰減高頻開關噪聲。

  反饋與輸出電壓調(diào)節(jié)

• 輸出電壓調(diào)節(jié)設定點由齊納二極管VR3、電阻R6和光耦U2中的LED上的電壓決定。當輸出電壓超過設定點時，U2中的LED正向偏置，光晶體管導通，從U1的EN/UV引腳吸取電流，控制器根據(jù)該引腳電流決定是否啟用開關周期，從而將輸出電壓保持在調(diào)節(jié)設定點附近。為提高輸出電壓調(diào)節(jié)精度，可使用如TL431等參考IC代替VR3。

  輸出過壓關斷

• TinySwitch - III系列IC可通過BP/M引腳和變壓器的偏置繞組檢測輸出過壓情況并鎖存關閉。當輸出電壓異常升高時，偏置繞組電壓超過閾值，電流流入BP/M引腳，觸發(fā)鎖存關斷電路。要重置鎖存關斷，需移除交流輸入，使輸入電容放電，BP/M引腳電壓降至2V以下。

  EMI設計

• 輸入π型濾波器（C1、L1和C2）衰減傳導差模EMI噪聲，變壓器T1采用屏蔽技術（E - Shield?）減少共模EMI位移電流，電阻R2和電容C4抑制MOSFET關斷時的高頻振鈴，結合芯片的頻率抖動功能，實現(xiàn)出色的傳導和輻射EMI性能。

  峰值初級電流限制選擇

• 通過在BP/M引腳安裝不同電容值可選擇U1的電流限制。安裝0.1μF電容選擇標準電流限制，適用于封閉適配器應用；安裝1μF電容降低MOSFET電流限制，提高效率但降低最大功率能力；安裝10μF電容提高MOSFET電流限制，擴展IC的功率能力。

  UV鎖定

• EP91電路板可安裝欠壓（UV）鎖定檢測電阻R5。安裝后，啟動時MOSFET開關在EN/UV引腳電流超過25μA之前被禁用，設計者可通過選擇R5的值設定MOSFET開關啟用的輸入電壓。UV檢測功能還可防止輸出調(diào)節(jié)丟失后電源輸出出現(xiàn)毛刺。

四、變壓器設計

電氣規(guī)格

• 變壓器電氣強度要求在1 - 5引腳到6 - 10引腳之間承受3000VAC、1秒、60Hz的測試。初級電感在100kHz、0.4V RMS下為1050μH，±10%；諧振頻率最小為500kHz；初級漏電感在100kHz、0.4V RMS下最大為50μH。

  材料與結構

• 采用PC40EE25 - Z磁芯，EE25垂直10引腳骨架。繞組使用#30AWG和#26AWG磁線以及#26AWG三重絕緣線，還使用了多種3M聚酯膠帶進行絕緣。變壓器通過浸漆處理，但不進行真空浸漬。

五、性能測試

效率測試

• TinySwitch - III采用的ON/OFF控制方案在25% - 100%負載范圍內(nèi)實現(xiàn)了幾乎恒定的效率，即使在低于10%額定輸出功率的負載下，效率仍保持在65%以上，滿足各種能效標準。

  有源模式CEC測量

• 在加利福尼亞州，該電源設計在115VAC和230VAC下的平均效率輕松超過CEC要求的71.3%。

  無負載輸入功率

• 無偏置繞組支持時，無負載輸入功率隨輸入電壓變化；有偏置繞組支持時，無負載輸入功率顯著降低。

  可用待機輸出功率

• 展示了在不同輸入功率消耗水平下的可用輸出功率，體現(xiàn)了ON/OFF控制在輕負載下保持高效率的優(yōu)勢，簡化了滿足待機功率要求的產(chǎn)品設計。

  電壓調(diào)節(jié)

• 在不同輸入電壓和負載下，輸出電壓保持穩(wěn)定，負載和線路調(diào)節(jié)性能良好。

  熱性能

• 在50°C環(huán)境溫度下，對關鍵組件進行溫度測量，結果顯示所有組件的溫度上升在可接受范圍內(nèi)。

  波形測試

• 包括漏極電壓和電流、輸出電壓啟動特性、負載瞬態(tài)響應、輸出紋波測量以及過壓關斷等波形測試，驗證了電源在不同工況下的性能。

  線路浪涌測試

• 電源通過了IEC61000 - 4 - 5標準的差模和共模浪涌測試。

  傳導EMI測試

• 在115VAC和230VAC滿載下進行傳導發(fā)射測試，結果顯示有超過10dB的裕量，滿足EN55022B/CISPR22B標準。

  可聽噪聲測試

• 開放式框架單元在聲學隔離和阻尼室中進行測試，可聽噪聲在可接受范圍內(nèi)，封閉外殼可進一步降低噪聲水平。

六、靈活配置與驗證

電流限制操作

• 通過更換BP/M引腳的電容，可實現(xiàn)TNY278PN的擴展和降低電流限制操作。增加電容可提高輸出功率，減少電容可提高效率。

  不同芯片操作

• TNY277PN在ILIMIT + 1模式下、TNY279PN在ILIMIT - 1模式下可在RD - 91參考板上工作，為設計工程師提供了更多選擇。

  OVP操作驗證

• 通過短路光耦LED觸發(fā)過壓情況，驗證OVP功能，重置OVP鎖存需移除交流輸入。

七、總結

這款基于TinySwitch - III（TNY278PN）的12W電源設計具有高效、靈活、可靠等優(yōu)點。其滿足多種能效標準，通過合理的電路設計和變壓器設計，實現(xiàn)了出色的性能表現(xiàn)。同時，靈活的配置選項為工程師在不同應用場景下提供了更多的設計可能性。在實際設計中，我們可以根據(jù)具體需求對電源進行調(diào)整和優(yōu)化，以滿足不同產(chǎn)品的要求。你在電源設計中遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗。