TNY256型单片机开关电源及其应用

摘要：单片开关电源具有性价比高、外围电路简单、效率高、功耗低等显著特点，文中介绍了TNY256的性能特点、工作原理，并给出了TNY256的典型应用电路。 关键词：单片开关电源 TNY256 自动重启计数器 功率MOSFET 1 TNY256的性能特点 %26;#183;内置自动重启电路，不需外接元件，一旦发生输出短路或控制环开路故障，可将占空比降低以保护芯片。 %26;#183;在输入直流高压电路中，不需要使用瞬态电压抑制器构成的钳位保护电路，仅用简单的RC吸收回路即可衰减视频噪声。 %26;#183;输入欠压检测电路仅需外接1只电阻，目的是在上电时将片内的功率MOSFET关断，直到直流输入电压VI达到欠压保护门限电压（100V）为止；正常工作后若VI突然降低，对芯片也能起到保护作用。 %26;#183;开关频率抖动可降低电磁辐射。 %26;#183;输入电压范围宽（85～265VAC或120～375VDC）且交、直流两用。效率高，265VAC输入时的空载功耗低于100mW。 %26;#183;控制方式简单。采用开/关控制器来代替传统的PWM脉宽调制器对输出电压进行调节，开关控制器可等效为脉冲频率调制器（PFM），其调节速度更快，对纹波的抑制能力也更强。 %26;#183;外围电路简单，可选用低成本的外围元件。无论在启动时还是正常工作时，芯片所消耗的能量均由漏极电源提供，无需再加反馈绕组及相关电路，也不用回路补偿。 %26;#183;利用使能端可从部关断功率MOSFET，采用跳过时钟周期的方式来调节负载电压，并且在快速上电时输出电压无过冲现象，掉电时，功率MOSFET也不会出现频率倍增现象。 %26;#183;高效、小功率输出，适合构成0～16W的小功率、低成本开关电源。 2 TNY256的封装及引脚功能 TNY256的三种封装形式如图1所示。该器件实际上只有4个有效引脚，D、S分别为功率MOSFET的漏极和源极；同时S也是控制电路的公共端。BP（BYPASS）为旁路端，该端与地（S极）间需接一只0.1μF的旁路电容器，通过漏极和内部电路产生5.8V的电源电压给该芯片供电。EN/UV为使能/欠压端，正常工作时由此端控制内部功率MOS管的通断，当IEN≥50μA时，MOSFET关断，该端还可用于输入欠压检测，具体方法是将EN/UV端经一只2MΩ的电阻器接VI。 3 TNY256的工作原理 TNY256内含一个700V功率MOSFET开关管和一个电源控制器，与传统的PWM脉宽调制控制方式不同，该器件采用简单的开/关控制来调节输出电压使之稳定。TNY256的内部结构如图2所示，主要包括振荡器、使能输入、5.8V稳压器、BP脚欠压保护电路、过热保护电路、过流保护电路、自动重启动计数器、输入欠压检测电路、700V功率MOSFET。 3．1 振荡器 TNY256内部有完整的振荡电路，无需外接阻容元件。内部振荡器的典型频率设为130kHz，振荡器将产生两个信号：一个是最大占空比信号DCMAX，另一个是时钟信号CLOCK，作为每个周期的起始信号。振荡器还具有频率抖动功能，频率抖动的典型值为5kHz，频率抖动的调制频率设为1kHz，以便最大限度地降低EMI。 3．2 使能输入 和EN/UV相连的使能输入电路包含一个低阻抗的源极输出器，设定其输出为1.5V。流过源极输出器的电流被限制为50μA，并有10μA的滞后特性。当从EN/UV引脚流出的电流超过50μA时，使能电路的输出端产生一个低电平将功率MOSFET关断。在每个时钟信号的上升沿（即每个周期的开始时刻），要对使能检测电路的输出进行取样，如为高电平，则功率MOSFET导通，如为低电平，则功率MOSFET截止。 3．3 5.8V稳压器 该稳压器的输入端接MOSFET的漏极，输出端接0.1μF的旁路电容器CBP。当MOSFET截止时，5.8V稳压器对CBP充电,使VBP=5.8V，当MOSFET导通时，改由CBP上储存的电能向芯片供电，CBP除用来存储电能外，还兼有高频退耦的作用。 3．4 BP脚欠压保护电路 当VI下降而导致BP脚电压低于5.1V时，功率MOSFET将被关断，起到输入欠压保护的作用。直到BP脚电压恢复到5.8V，MOSFET才能正常工作。 3．5 过热保护电路 芯片阈值结温设定为135℃，并有70℃的滞回特性，一旦芯片结温超过135℃，立即关断功率MOSFET，使芯片温度降低。 3．6 过流保护电路 当流过功率MOSFET中的电流超过极限电流ILIMTT时，该电路将关断功率MOSFET。 为了防止因初级电容器或次级超快恢复二极管在反向恢复时间内产生类峰电压，而造成功率MOSFET误关断，专门设置了前沿闭锁电路。它能在功率MOSFET则导通的短时间（tLED）内将过流比较器输出的尖峰电压封锁掉，可避免功率MOSFET在刚导通后又被类峰电压关断而产生误动作。 3．7 自动重启计数据 当电路发生输出过载、输出短路或控制环开路等故障时，TNY256进入自动重启工作状态。当EN/UV脚变为低电平时，内部计数器被复位。如在32ms内EN/UV脚没有变为低电平，在正常情况下功率MOSFET将会停止工作128ms(如在欠压情况下，它会一直停止工作直到欠压消除)。在故障没有排除之前，自动重启计数器将交替代功率MOSFET工作和不工作。 3．8 输入欠压检测电路 将一外接电阻器（2MΩ）连接在VI和EN/UV脚即可监视输入电压，在上电时将功率MOSFET关断，直到直流输入电压V1达到欠压保护阈值（100V）为止；正常工作后如VI突然降低，也会将功率MOSFET关断，起到保护作用。在自动重启状态下功率MOSFET将停止工作，此时哪存在欠压条件，自动重启动计数器将停止计数。 图3 如EN/UV脚未接外部电阻器，则输入欠压检测功能将被禁止。 4 TNY256的典型应用 由TNY256组成的5.5W、9VDC电源适配器电路如图3所示，交流输入电压范围为85～265V。图中U2为光磁耦合器SFH615-2，U3为可调式并联精密稳压器TL431CLP，F1为保险丝电阻器。85～265V交流电经过D1～D4桥式整流和C1、C2滤波后，得到约300V的直流高压VI。鉴于在功率MOSFET关断瞬间，脉冲变压器的漏感会产生尖峰电压，因此，由电阻器R3、C3和超快恢复二极管D5（1N4937）组成的功率MOSFET漏极钳位保护电路，可有效抑制漏极上的反向峰值电压，从而保护TNY256内的功率MOSFET不受损坏。C3选用10000pF/1kV的高压陶瓷电容器。 次级电压通过D6、C6、C7、L3和C8整充滤波后，得到9V、0.6A的直流输出。D4采用MBR360的肖特基二极管。为了抑制初、次级之间的共模干扰，在初、次级的同名端还并联一只2200pF/2kV的高压陶瓷电容C5。输出电压由精密电阻R7、R8决定，电阻R9为TL431的限流电阻。 5 TNY256的使用注意事项 TNY256在中等负载或轻负载下工作时会跳过一些时钟周期，这容易使高频变压器产生音频噪声干扰。为减小此干扰，宜选磁通密度小于0.3T的磁芯材料。此外，最好用TVS二极管和陶瓷电容构成的漏极箝位保护电路来衰减视频噪声。 使用NTY256系列时推荐的一种印制板设计如图4所示。 设计时需注意以下几点： %26;#183;连接输入滤波电容器、高频变压器初级如TNY256回路的覆铜面积应尽量小。 %26;#183;DIP-8封装的TNY256系列电路是靠覆铜接地来散热的，图中打斜线的面积要足够大，确保散热良好。 %26;#183;安全电容器要直接焊接在初级接地端和次级返回端之间。 %26;#183;连接次级线圈、输出级整流管和滤波电容器的回路面积应尽量小，但整流管焊盘附近的覆铜要足够大，以确保散热良好。 %26;#183;为减小耦合噪声，光耦晶体管到EN/UV脚和源极S脚的布线要尽可能短。欠压检测电阻器要尽可能靠近EN/UV脚。