超宽输入范围工业控制电源的研究与设计

　　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。