基于TNY277P的3路輸出開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)

蔡婷

摘要：本文介紹了開(kāi)關(guān)電源芯片TNY277P的工作特性和原理，并以此為核心設(shè)計(jì)了一種開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源，討論了直流輸入電壓情況下單端反激式開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題，如變壓器如何設(shè)計(jì)，漏感引起尖峰電壓的緩沖電路設(shè)計(jì)及器件的選型等問(wèn)題，并提出來(lái)計(jì)算選型的方案，提供了實(shí)驗(yàn)波形，驗(yàn)證了方案的正確性。

關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)電源;高效率;高穩(wěn)定性 ;高可靠性

前言

開(kāi)關(guān)電源被譽(yù)為高效、節(jié)能型電源，它代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向。目前，單片開(kāi)關(guān)電源集成電路以其高集成度、高性價(jià)比、最簡(jiǎn)外圍電路、最佳性能指標(biāo)的顯著優(yōu)點(diǎn)[1]，獲得了在家用電器、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、教學(xué)設(shè)備等等領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用。隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，各種電子設(shè)備對(duì)電源的要求越來(lái)越高，電源也朝著高效率、高可靠性以及智能化的方向發(fā)展。傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源使用專門(mén)的脈寬調(diào)制芯片，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而單片開(kāi)關(guān)電源是將開(kāi)關(guān)電源的主要電路都集成在一個(gè)芯片中，能實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制、輸出隔離及多種保護(hù)功能[2]。

1 開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

在本文中，使用單端反激式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源電路進(jìn)行低功率開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)，DC310V輸入，+15V/0.5A、-15/0.1A及12V/0.8A輸出。

1.1 TNY277P芯片簡(jiǎn)介

開(kāi)關(guān)電源芯片TNY277P集成了一個(gè)700 V的功率MOSFET、振蕩器、高壓開(kāi)關(guān)電流源、電流限流（用戶可選）及熱關(guān)斷電路。與通常的PWM（脈寬調(diào)制）控制器不同，它使用簡(jiǎn)單的開(kāi)/關(guān)控制方式來(lái)穩(wěn)定輸出電壓。這個(gè)控制器包括了一個(gè)振蕩器、使能電路（感測(cè)及邏輯）、流限狀態(tài)調(diào)節(jié)器、5.85V穩(wěn)壓器、旁路/多功能引腳欠壓及過(guò)壓電路、電流限流選擇電路、過(guò)熱保護(hù)、電流限流電路，前沿消隱電路及一個(gè)700V功率MOSFET管。增加了欠壓檢測(cè)、自動(dòng)重啟動(dòng)、自動(dòng)調(diào)整的開(kāi)關(guān)周期導(dǎo)通時(shí)間延長(zhǎng)及頻率抖動(dòng)功能，精確的遲滯熱關(guān)斷保護(hù)并具備自動(dòng)恢復(fù)功能。改善的自動(dòng)重啟動(dòng)功能在短路及開(kāi)環(huán)故障狀況下實(shí)現(xiàn)<3%的最大輸出功率。高寬帶提供快速的無(wú)過(guò)沖啟動(dòng)及出色的瞬態(tài)負(fù)載響應(yīng)擴(kuò)大了漏極與其它引腳間的爬電距離，提高了應(yīng)用的可靠性。

2 開(kāi)關(guān)電源的原理圖

本開(kāi)關(guān)電源主要由高頻變壓器、輸出整流濾波電路及控制電路部分組成。采用了TNY277P和PC817 、TL431等專用芯片以及其他的電路原件相配合的方案，設(shè)計(jì)出通過(guò)整流、反饋、濾波、穩(wěn)壓等電路來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)穩(wěn)壓功能的單端反激式開(kāi)關(guān)電源。開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)原理圖如圖一所示：

此電源具有特性包括高效率（>80%）以及極低的空載功耗（<50mW）。直流輸入電壓加到變壓器的初級(jí)繞組上，U1中集成的MOFET驅(qū)動(dòng)變壓器初級(jí)的另一側(cè)。二極管V1、Csn、Rsn組成緩沖電路。通過(guò)緩沖電路的設(shè)計(jì)使漏極的漏感關(guān)斷電壓尖峰控制在安全值范圍以內(nèi)。齊納二極管緩沖及RC的結(jié)合不但優(yōu)化了EMI，而且更有效率。由于TNY277P完全是自供電的，因此在變壓器上無(wú)須輔助繞組或偏執(zhí)繞組。如果使用偏執(zhí)繞組，可實(shí)現(xiàn)輸出過(guò)壓保護(hù)功能，在反饋出現(xiàn)開(kāi)環(huán)故障時(shí)保護(hù)負(fù)載。使用10uF的BP/M引腳電容，器件工作的電流限流點(diǎn)會(huì)升高，在溫度允許的情況下，使器件的峰值輸出功率會(huì)持續(xù)輸出，功率有所增加。

二次繞組的輸出電壓經(jīng)過(guò)二極管整流，在經(jīng)過(guò)CC濾波后獲得直流輸出電壓U，V2、V4采用超快速恢復(fù)二極管MUR420，V3采用二極管UF4004。使用一個(gè)TL431及光耦PC817反饋對(duì)輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)壓[3]。 基于TL431的電壓反饋電路中TL431功能為當(dāng)輸出電壓12V經(jīng)過(guò)R13和R14的分壓小于TL431的參考電壓Vref（=2.5V）時(shí)，TL431輸出的電壓將近似等于12V，此時(shí)光耦器件不導(dǎo)通，光耦輸出為高電平，不影響TNY277P的脈寬輸出;反之，如果輸出電壓12V的分壓超過(guò)Vref，則TL431輸出約為2V，此時(shí)光耦器件導(dǎo)通，輸出為低電平，封鎖TNY277P的輸出[4]。

3 緩沖電路設(shè)計(jì)

在開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中高頻變壓器的設(shè)計(jì)采用PI軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)獲得變壓器的參數(shù)。當(dāng)TNY277P的MOSFET關(guān)閉時(shí)，由于主變壓器漏感（Llk1）和MOSFET的輸出電容器（COSS）之間的諧振，漏極引腳上出現(xiàn)高壓尖峰。這個(gè)漏極引腳上的電壓過(guò)高可能導(dǎo)致雪崩擊穿并最終損壞MOSFET。因此，設(shè)計(jì)合適的緩沖電路尤其重要。以下為此部分電路的詳細(xì)計(jì)算過(guò)程。

當(dāng)TNY277P 的Vds超過(guò)Vin+nVo時(shí)通過(guò)打開(kāi)緩沖二極管（V1）使這個(gè)緩沖電路吸收泄漏電流。假設(shè)電容足夠大，那么在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期不會(huì)變化。當(dāng)MOSFET關(guān)斷并且Vds被充電到Vin+nVo時(shí)，一次電流通過(guò)緩沖二極管流向Csn，次級(jí)二極管同時(shí)打開(kāi)。

在最小輸入電壓和滿載條件下，緩沖電路中消耗的功率可通過(guò)方式1獲得：

式中ipeak是一次側(cè)電流的峰值，Vsn是通過(guò)電容器Csn的電壓，n是主變壓器匝比，fs是反激變換器的開(kāi)關(guān)頻率。這個(gè)緩沖電容器電壓（Vsn）應(yīng)在最小輸入電壓和滿載條件下確定。Vsn應(yīng)該是nVo的2-2.5倍。很小的Vsn會(huì)導(dǎo)致緩沖電路中的嚴(yán)重?fù)p耗，如上面的等式所示。

由于緩沖電阻器（Rsn）中消耗的功率是Vsn2/Rsn，因此通過(guò)方式2獲得電阻：

根據(jù)功率損耗選擇合適額定功率的緩沖電阻。緩沖電容器電壓的最大紋波如下：

一般來(lái)說(shuō)，5～10%的波動(dòng)是合理的。因此，選擇紋波為10%利用上述公式計(jì)算緩沖電容等式。讓Vsn是nVo的兩倍， Llk1和ipeak測(cè)量分別為100?H和400mA，計(jì)算Rsn為31.5KΩ，Csn為2.4nF，實(shí)際選取Rsn為30KΩ，Csn選取2nF。

4 結(jié)論

本文分析了直流310V輸入電壓下單端反激式開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)方法與關(guān)鍵問(wèn)題，包括器件的選擇、電路參數(shù)的設(shè)定與開(kāi)關(guān)電壓器的設(shè)計(jì)，利用三端穩(wěn)壓器TL431配合光耦PC817實(shí)現(xiàn)了對(duì)電源電壓的控制和穩(wěn)壓輸出。提出的方案切實(shí)可行，設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源穩(wěn)壓性能優(yōu)良、紋波小等優(yōu)點(diǎn)。

此外，在實(shí)際開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中，還需要考慮器件及布線過(guò)程中的安全耐壓?jiǎn)栴}，防止距離過(guò)近造成的爬電影響，優(yōu)化布線，減少電路中的分布電感和分布電容。

參考文獻(xiàn)

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