Tiny Switch特性及其应用

TIny Switch 特 性 及 其 应 用 The CharacterisTIcs and ApplicaTIons of TIny Switch  

摘要：介绍应用于小功率开关电源的控制器件—TinySwitch的特点，并讨论在待机电源和充电

器中的应用。

Abstract: The characteristics of Tiny switch which is used in low power switch mode power supply are introduced in this paper, and applications of Tiny Switch in stand－ by power Supply and Charger are dwelled on.

关键词：逐周电流限制跳周期

Keywords:Cycle by cycle current limited， Jump cycle

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。

2TinySwitch（253/254/255系列）简介

　　TinySwitch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。

图1功能框图

3TinySwitch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

（a）TinySwitch重负载工作

（b）TinySwitch中负载工作

（c）TinySwitch轻负载工作

图2不同负载时的波形

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

P=0.5I2Lf（1）

　　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TinySwitch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。　　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。

图3输出功率与效率关系

　　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。

4TinySwitch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典型的备用电源应用

　　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TinySwitch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导通时，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。

图53.6W恒压恒流移动电话充电电路