蔡婷

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

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

前言

開關(guān)電源被譽為高效、節(jié)能型電源，它代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向。目前，單片開關(guān)電源集成電路以其高集成度、高性價比、最簡外圍電路、最佳性能指標的顯著優(yōu)點[1]，獲得了在家用電器、科學(xué)實驗、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)備對電源的要求越來越高，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)開關(guān)電源使用專門的脈寬調(diào)制芯片，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而單片開關(guān)電源是將開關(guān)電源的主要電路都集成在一個芯片中，能實現(xiàn)脈寬調(diào)制、輸出隔離及多種保護功能[2]。

1 開關(guān)電源的設(shè)計實現(xiàn)

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

1.1 TNY277P芯片簡介

開關(guān)電源芯片TNY277P集成了一個700 V的功率MOSFET、振蕩器、高壓開關(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，它使用簡單的開/關(guān)控制方式來穩(wěn)定輸出電壓。這個控制器包括了一個振蕩器、使能電路（感測及邏輯）、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壓電路、電流限流選擇電路、過熱保護、電流限流電路，前沿消隱電路及一個700V功率MOSFET管。增加了欠壓檢測、自動重啟動、自動調(diào)整的開關(guān)周期導(dǎo)通時間延長及頻率抖動功能，精確的遲滯熱關(guān)斷保護并具備自動恢復(fù)功能。改善的自動重啟動功能在短路及開環(huán)故障狀況下實現(xiàn)<3%的最大輸出功率。高寬帶提供快速的無過沖啟動及出色的瞬態(tài)負載響應(yīng)擴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 開關(guān)電源的原理圖

本開關(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)計出通過整流、反饋、濾波、穩(wěn)壓等電路來實現(xiàn)自動穩(wěn)壓功能的單端反激式開關(guān)電源。開關(guān)電源的設(shè)計原理圖如圖一所示：

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繞組上，U1中集成的MOFET驅(qū)動變壓器初級的另一側(cè)。二極管V1、Csn、Rsn組成緩沖電路。通過緩沖電路的設(shè)計使漏極的漏感關(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，因此在變壓器上無須輔助繞組或偏執(zhí)繞組。如果使用偏執(zhí)繞組，可實現(xiàn)輸出過壓保護功能，在反饋出現(xiàn)開環(huán)故障時保護負載。使用10uF的BP/M引腳電容，器件工作的電流限流點會升高，在溫度允許的情況下，使器件的峰值輸出功率會持續(xù)輸出，功率有所增加。

二次繞組的輸出電壓經(jīng)過二極管整流，在經(jīng)過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TL431及光耦PC817反饋對輸出電壓進行穩(wěn)壓[3]。 基于TL431的電壓反饋電路中TL431功能為當輸出電壓12V經(jīng)過R13和R14的分壓小于TL431的參考電壓Vref（=2.5V）時，TL431輸出的電壓將近似等于12V，此時光耦器件不導(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Vref，則TL431輸出約為2V，此時光耦器件導(dǎo)通，輸出為低電平，封鎖TNY277P的輸出[4]。

3 緩沖電路設(shè)計

在開關(guān)電源設(shè)計中高頻變壓器的設(shè)計采用PI軟件進行設(shè)計獲得變壓器的參數(shù)。當TNY277P的MOSFET關(guān)閉時，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。這個漏極引腳上的電壓過高可能導(dǎo)致雪崩擊穿并最終損壞MOSFET。因此，設(shè)計合適的緩沖電路尤其重要。以下為此部分電路的詳細計算過程。

當TNY277P 的Vds超過Vin+nVo時通過打開緩沖二極管（V1）使這個緩沖電路吸收泄漏電流。假設(shè)電容足夠大，那么在一個開關(guān)周期不會變化。當MOSFET關(guān)斷并且Vds被充電到Vin+nVo時，一次電流通過緩沖二極管流向Csn，次級二極管同時打開。

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方式1獲得：

式中ipeak是一次側(cè)電流的峰值，Vsn是通過電容器Csn的電壓，n是主變壓器匝比，fs是反激變換器的開關(guān)頻率。這個緩沖電容器電壓（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會導(dǎo)致緩沖電路中的嚴重損耗，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：

一般來說，5～10%的波動是合理的。因此，選擇紋波為10%利用上述公式計算緩沖電容等式。讓Vsn是nVo的兩倍， Llk1和ipeak測量分別為100?H和400mA，計算Rsn為31.5KΩ，Csn為2.4nF，實際選取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關(guān)電源的設(shè)計方法與關(guān)鍵問題，包括器件的選擇、電路參數(shù)的設(shè)定與開關(guān)電壓器的設(shè)計，利用三端穩(wěn)壓器TL431配合光耦PC817實現(xiàn)了對電源電壓的控制和穩(wěn)壓輸出。提出的方案切實可行，設(shè)計的開關(guān)電源穩(wěn)壓性能優(yōu)良、紋波小等優(yōu)點。

此外，在實際開關(guān)電源設(shè)計中，還需要考慮器件及布線過程中的安全耐壓問題，防止距離過近造成的爬電影響，優(yōu)化布線，減少電路中的分布電感和分布電容。

參考文獻

[1] 沙占友.新型單片開關(guān)電源設(shè)計及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2001.6

[2] 沙占友.開關(guān)電源的電路設(shè)計[J].電氣自動化，1997（3）

[3] 楊榮峰，劉英等.高輸入電壓單端反激式開關(guān)電源設(shè)計關(guān)鍵問題[J].電源技術(shù)與應(yīng)用，2011.5

[4] 徐勇，金辛海。多路輸出反激式開關(guān)電源的反饋環(huán)路設(shè)計[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2009，12（1）：23-27

（沈陽中航機電三洋制冷設(shè)備有限公司?遼寧?沈陽?110141）