Tiny Switch特性及其应用

1 引 言   
　　
中大功率开关电源在市场上占有较大份额，然而小功率开关电源在很多场合，例如在待机电源中是必不可少的。TinySwitch特别适用于为用户提供10W以下的隔离型开关电源。  
　　
十多年以前以为用UC3842和MOSFET制作的分离元件开关电源，线路已较为简单，但与其相比，TopSwitch制作的开关电源电路更加简单。由于它们同样是采用固定频率PWM方式，其开关损耗几乎与负载无关，导致轻载时电源效率明显降低。而采用TinySwitch除电路非常简单外，同时还具有高效率、低成本的显著特点。  

2 Tiny Switch（253/254/255系列）简介  
　　
Tiny Switch把控制IC和功率MOSFET集成在一起，实际上只需四个功能引脚。  
　　
（1）TinySwitch各引脚功能  
　　
漏极（D）:功率MOSFET漏极，为起动和稳态工作提供工作电流。  
旁路（BP）：内接5.8V稳压器，外接滤波电容。正常工作时，旁路电容在TinySwitch中MOSFET导通期间为控制电路提供能量。  
使能（EN）：功率MOSFET是否导通控制端。正常工作情况，EN端为高电平时，MOSFET导通；EN端为低电平时，MOSFET关断。  
源极（S）：功率MOSFET源极。

（2）TinySwitch器件的突出特点  

内置芯片供电电源，省去外加辅助电源，可使输出电压不影响电路工作。  
　　
控制方式采用逐周电流限制方式，可减小电流纹波。 跳周期 的工作方式通过改变有效的工作频率，使开关损耗与负载呈线性比例，从而使不同负载情况下，电源均具有较高效率。  
　　
内置过热保护电路之超温闭锁功能，确保开关电源安全工作。  

3 TinySwitch的特性  
　　
(1)TinySwitch控制方式  
　　
TinySwitch功能框图如图1所示。  


　　
芯片正常工作时，TinySwitch内部振荡器周期性起动MOSFET，每个周期内，由限流电路检测MOSFET的电流，并将其与门限值比较，当其超过门限(ILIMIT）时，功率MOSFET在此周期剩余时间内关断。也就是说，当TinySwitch正常工作时，由限流电路对MOSFET进行逐周电流限制，以决定功率MOSFET在每个周期内的最大导通时间（tmax）。需要注意的问题是：MOSFET的电流是否会在tmax时间内达到门限（ILIMIT）呢？这一点只要在电源设计时，选择的TinySwitch器件在最低的输入电压时满足功率要求，经计算得出的变压器初级电感便可使电流在tmax限制时间内逐渐升至门限值ILIMIT）。  
　　
TinySwitch内部限流电路的门限值（ILIMIT）为常数,内部振荡器把MOSFET的开关频率设定为常数，由于TinySwitch的门限值和频率均为常数，利用其进行隔离型电源设计，次级的（最大）输出功率亦为常数。  
　　
(2)TinySwitch工作模式  
　　
反激式开关电源的输出功率与门限值、变压器初级电感和开关频率相关，即  



那么，输出功率一定的TinySwitch芯片是如何工作来满足不同负载要求的呢？分析式（1），再结合芯片特点，即可以得出结论。由于TinySwitch门限值和变压器初级电感均为常数，那么若想改变输出功率P，只能着眼于开关频率f，TinySwitch采用 跳周期 的工作方式，正是以改变功率MOSFET有效的开关频率，以实现不同的功率输出。  
　　
在分析TinySwitch是如何 跳周期 时，先了解一下芯片的EN引脚。参照图1，使能引脚电路中有一个设定为1.5V的源极跟随输入。输入电流被10μA滞回的电流源箝位。在振荡器时钟信号（每个周期之始）的上升沿，对使能检测电路的输出取样，若为高电平，此周期接通功率MOSFET，否则功率MOSFET在相应周期保持截止，即跳过该工作周期，由于对EN引脚取样仅在每个周期之始进行一次，周期中使能引脚上的其它变化可不予考虑。这样，可以通过EN端电平的不同对芯片进行开/关控制。  
　　
于是，可以通过控制TinySwitch开/关频率来获得不同的次级输出功率。满载时，让inySwitch在大部分时钟周期导通；不足满载时，TinySwitch将 跳过 更多周期以保持次级输出电压稳定；在轻载或空载时，几乎跳过所有周期，只有一小部分周期导通以供给电源的功率消耗。不同负载工作情况的波形见图2。  


（a）TinySwitch重负载工作


（b）TinySwitch中负载工作


（c）TinySwitch轻负载工作

由于在不同输出功率情况下，有效开关频率不同，使得输出功率不同，开关损耗也就不同。TinySwitch的开关损耗几乎与输出功率成线性比例，使得电源在各种输出功率时都具有较高的效率。这是采用PWM方式开关模式电源（SMPS）望尘莫及的。应用TinySwitch进行设计的电源效率与一般开关模式电源的比较见图3。  


　　
TinySwitch在跳周期时，振荡器频率通常加倍（TNY255仍将保持130kHz）。这增加了使能引脚取样率，使环路响应速度更快，对保证输出电压的稳定性非常有利。  　　

(3)TinySwitch超温闭锁功能  
　　
参见图1，TinySwitch内设热关断电路可检测管芯结温。热关断电路的门限为135℃，70℃滞回，当结温上升至超过门限时（135℃），热关断电路关断功率MOSFET，直到管芯结温下降到70℃时才会令其重新导通。  

4 TinySwitch的典型应用 隔离型待机电源  
　　
用TinySwitch实现的小功率隔离型开关电源，体积小、成本低、设计电路简单，其典型应用如图4所示。  


　　
图4为TinySwitch与反激式离线变换电路相结合实现高压DC输入的小功率DC电源。通过在次级将输出电压与一个参考电压相比较产生使能信号。参考电压取决于一个光耦发光二极管与一个齐纳二极管之和。当输出电压低于参考电压时，使能信号为高电平，控制Tinyn  Switch之MOSFET导通，为变压器初级提供通路，向次级供电。当输出电压超过参考电压时，光耦二极管导通，将使能脚置低电平，使相应周期MOSFET关断，即MOSFET跳周期，从而保持输出电压稳定。  
　　
TinySwitch虽然工作于 跳周期 方式，但一旦一个周期开始，MOSFET总会完成整个周期，如此的工作方式使输出电压纹波由输出电容、每个开关周期的能量和使能反馈的延时决定。TinySwitch通/断控制电路的响应时间与一般的PWM控制相比非常迅速，这使得线路具有很好的纹波抑制性能和瞬间响应性能。  
　　
利用TinySwitch进行电源设计的另一个好处是不需要辅助电源，参见图4与图1，当MOSFET关断时，5.8V稳压器通过来自漏极的电流将连接到旁路引脚上的旁路电容充电至5.8V，当MOSFET导通，TinySwitch消耗存储在旁路电容上的能量，TinySwitch内部电路的功耗极低，使其能利用来自漏极引脚的电流连续工作。选取0.1μF的旁路电容已足以实现对高频去耦和能量存储。  

5 应用举例 移动电话充电器  
　　
不需要辅助电源的特点，使TinySwitch特别适于做移动电话充电器。由于TinySwitch总是由输入高压供电，因而不需要偏置绕组。图5显示了一个使用TNY254的5.2V、3.6W移动电话充电器电路，在市电输入电压范围内（85V至256V）提供恒定电压和电流输出。交流输入经V1～V4、C1～C2整流滤波，产生与TYN254内高压MOSFET串联的高压直流总线。电感L1与C1和C2一起构成 型滤波器。电阻R1用于衰减电感L1的谐振。TNY254的低工作频率（44kHz）使其可以采用如上述简单的 型滤波器与一个电容C8组合来满足传导EMI标准。V6、C4和R2组成箝位电路，将TinySwitch漏极引脚关断电压尖峰限制在安全值范围内。次级绕组经V5和C5整流滤波提供5.2V输出。L2和C6一起提供辅助滤波。输出电压由光耦V7的发光二极管的管压降（约1V）和齐纳二极管V9的电压之和确定。电阻R8提供齐纳二级管的偏置电流来改善电压容差。用晶体管V8的UBE来检测通过电流检测电阻R4上的电压，R3是一个基准电流限制电阻。当R4上的压降超过晶体管V8的UBE时V8导通，并驱动光耦V7来取代环路控制。R6产生额外的压降，使得控制环路工作输出降至0V。由于输出短路，R4和R6上的压降足以保持V8和V7电路工作。电阻R7和R9限制了在输出短路时，由R4和R6上的压降产生的通过V9流入V8的正向电流。