蔡婷

摘要：本文介紹了開關電源芯片TNY277P的工作特性和原理，并以此為核心設計了一種開關穩(wěn)壓電源，討論了直流輸入電壓情況下單端反激式開關電源設計中的關鍵問題，如變壓器如何設計，漏感引起尖峰電壓的緩沖電路設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。

關鍵詞：開關電源;高效率;高穩(wěn)定性 ;高可靠性

前言

開關電源被譽為高效、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、科學實驗、教學設備等等領域廣泛的應用。隨著電子技術的高速發(fā)展，各種電子設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)開關電源使用專門的脈寬調制芯片，結構復雜，而單片開關電源是將開關電源的主要電路都集成在一個芯片中，能實現(xiàn)脈寬調制、輸出隔離及多種保護功能[2]。

1 開關電源的設計實現(xiàn)

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

1.1 TNY277P芯片簡介

開關電源芯片TNY277P集成了一個700 V的功率MOSFET、振蕩器、高壓開關電流源、電流限流（用戶可選）及熱關斷電路。與通常的PWM（脈寬調制）控制器不同，它使用簡單的開/關控制方式來穩(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、自動調整的開關周期導通時間延長及頻率抖動功能，精確的遲滯熱關斷保護并具備自動恢復功能。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)負載響應擴大了漏極與其它引腳間的爬電距離，提高了應用的可靠性。

2 開關電源的原理圖

本開關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電源。開關電源的設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驅動變壓器初級的另一側。二極管V1、Csn、Rsn組成緩沖電路。通過緩沖電路的設計使漏極的漏感關斷電壓尖峰控制在安全值范圍以內。齊納二極管緩沖及RC的結合不但優(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過二極管整流，在經過CC濾波后獲得直流輸出電壓U，V2、V4采用超快速恢復二極管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，此時光耦器件導通，輸出為低電平，封鎖TNY277P的輸出[4]。

3 緩沖電路設計

在開關電源設計中高頻變壓器的設計采用PI軟件進行設計獲得變壓器的參數。當TNY277P的MOSFET關閉時，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致雪崩擊穿并最終損壞MOSFET。因此，設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。假設電容足夠大，那么在一個開關周期不會變化。當MOSFET關斷并且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頻率。這個緩沖電容器電壓（Vsn）應在最小輸入電壓和滿載條件下確定。Vsn應該是nVo的2-2.5倍。很小的Vsn會導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 結論

本文分析了直流310V輸入電壓下單端反激式開關電源的設計方法與關鍵問題，包括器件的選擇、電路參數的設定與開關電壓器的設計，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，設計的開關電源穩(wěn)壓性能優(yōu)良、紋波小等優(yōu)點。

此外，在實際開關電源設計中，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.新型單片開關電源設計及應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2001.6

[2] 沙占友.開關電源的電路設計[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電源設計關鍵問題[J].電源技術與應用，2011.5

[4] 徐勇，金辛海。多路輸出反激式開關電源的反饋環(huán)路設計[J].電源技術應用，2009，12（1）：23-27

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