單片式開關(guān)電源在電器控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

引言

隨著電力電子技術(shù)和PWM技術(shù)的迅速發(fā)展和不斷完善,開關(guān)電源以其優(yōu)越的性價(jià)比得到廣泛應(yīng)用.但是,市場(chǎng)調(diào)查和研究分析表明,由于分立式結(jié)構(gòu)、可靠性及成本高等問題,目前小功率開關(guān)電源在家電領(lǐng)域的應(yīng)用仍局限于聲像及變頻技術(shù)系列產(chǎn)品.此外,電磁兼容性的問題也是阻礙其應(yīng)用推廣的主要因素之一.近年來,高度集成的單片式開關(guān)電源控制芯片不斷涌現(xiàn),使上述問題得到了有效解決.本文根據(jù)多年的家用電器控制器方面的設(shè)計(jì)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),針對(duì)冰箱、洗衣機(jī)以及空調(diào)等家用電器控制系統(tǒng)輔助電源的共同特點(diǎn),以TNY268P系列單片隔離式智能集成芯片為核心,設(shè)計(jì)了一種通用性強(qiáng)、易于集成的專用開關(guān)電源電路.

1　電源電路設(shè)計(jì)

1.1　設(shè)計(jì)技術(shù)要求及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)對(duì)冰箱、空調(diào)等系列家用電器控制器輔助電源的特點(diǎn)分析,設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)確定如下:輸入電壓為交流220V±15%,（50±1）Hz;輸出電壓分別為+5V（700mA）和+12V（500mA）;為了提高家用電器控制器濾波效果和電源的可靠性,如需要在輸出端增加三端穩(wěn)壓器,則實(shí)際輸出電壓應(yīng)為+8V（700mA）和15V（500mA）;輸出電壓的紋波峰峰值UP-P≤1%,其他電氣性能要求滿足相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).圖1是采用TNY268P系列單片集成開關(guān)電源芯片設(shè)計(jì)的一種單輸入雙輸出的通用開關(guān)電源電路,功率變換器拓?fù)洳捎靡子诙嗦份敵龅膯味朔醇な浇Y(jié)構(gòu),主要包括交流輸入抗電磁干擾（EMI）濾波電路、整流電路、高頻功率變壓器、輸出反饋電路、保護(hù)電路以及TNY268P電源芯片.

                           
圖1　開關(guān)電源設(shè)計(jì)原理圖

1.2　TNY268P芯片介紹

TNY268P系列芯片是美國(guó)Power Integration公司推出的第2代增強(qiáng)型單片隔離式高效小功率開關(guān)電源控制芯片,內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示.集成了一只700V的功率MOSFET振蕩器、5.8V穩(wěn)壓電源、高壓開關(guān)電流源，以及欠壓、過流及熱關(guān)斷保護(hù)電路,具有自動(dòng)重啟動(dòng)以及頻率抖動(dòng)等功能。由于漏極電壓直接提供系統(tǒng)啟動(dòng)和工作所需能量,從而省略了變壓器偏置繞組及相關(guān)電路.TNY268P系列芯片的特點(diǎn)不僅有利于簡(jiǎn)化外圍電路設(shè)計(jì)、減少系統(tǒng)的損耗,而且能有效消除音頻噪聲,提高EMI能力,節(jié)約電源成本.

TNY268P系列芯片分為DIP-8和SMD-8兩種封裝形式.漏極D連接內(nèi)部功率MOSFET的漏極,提供啟動(dòng)和穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的內(nèi)部電流;源極S控制電路公共端內(nèi)部連接MOSFET的源極;內(nèi)部5.8V的穩(wěn)壓電源外接0.1μF旁路電容;正常工作時(shí),使能輸入/欠壓檢測(cè)端（EN/UV）控制MOSFET開關(guān)狀態(tài),當(dāng)從該端流出的電流>240μA時(shí),MOSFET關(guān)斷.同時(shí)通過外接檢測(cè)電阻檢測(cè)輸入電壓條件.

                              [!--empirenews.page--]

                                                            
圖2　TNY268P系列芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

1.3　外圍電路設(shè)計(jì)及主要參數(shù)計(jì)算

TNY268P系列芯片集成度高,內(nèi)部保護(hù)功能較為完善,外圍電路設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單.它主要包括交流輸入濾波電路、功率變壓器、輸出反饋電路、輸入輸出整流濾波電路以及保護(hù)電路的設(shè)計(jì)計(jì)算.

1.3.1　功率變壓器的設(shè)計(jì)

1）磁芯選擇.高頻變壓器的設(shè)計(jì)包括功率變壓器的工作模式確定、磁芯尺寸形狀選擇、原/副邊繞組的參數(shù)計(jì)算及變壓器的繞制等.TinySwitch有連續(xù)、不連續(xù)和完全不連續(xù)3種模式.為了降低電磁干擾,減小輸出濾波電容的容量,本設(shè)計(jì)選擇不連續(xù)工作模式.為了滿足TNY268P芯片132kHz的工作頻率,減小泄漏磁場(chǎng),選用低成本的EE22型錳鋅鐵氧體磁芯.

2）變壓器參數(shù)計(jì)算.

①確定最大占空比Dmax

式中,Pomax為總輸出最大功率;η為電源效率;VImin為初級(jí)繞組直流輸入電壓的最小值.

②計(jì)算KDP
　　
KDP表示TinySwitch的關(guān)斷時(shí)間與磁芯泄放能量時(shí)間的比例系數(shù),其大小決定芯片的工作模式, KDP≥1工作在不連續(xù)模式.

                                              式中,VOR為初級(jí)感應(yīng)電壓.
　
③原副邊繞組的電感量及匝數(shù).

  　　
                                             式中,fs為開關(guān)頻率.

式中,Al為磁芯的電感系數(shù).同理可根據(jù)計(jì)算公式計(jì)算次級(jí)主輸出繞組的匝數(shù)以及每匝電壓值,以確定其他次級(jí)繞組的匝數(shù).

④導(dǎo)線線徑計(jì)算.

首先計(jì)算電流峰值和有效值,然后選取電流密度為400c.m./A,求出導(dǎo)線的橫截面積;最后根據(jù)計(jì)算值再重新計(jì)算占空比,核算窗口面積是否滿足設(shè)計(jì)要求.

3）變壓器的繞制技術(shù).

高頻變壓器的繞制是電源設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié).繞制時(shí)必須注意初級(jí)繞組要繞在最里層且設(shè)計(jì)成兩層以下,以減小初級(jí)繞組的分布電容和產(chǎn)生的電磁干擾,縮短導(dǎo)線的長(zhǎng)度.為增強(qiáng)抗EMI的能力,反饋繞組可置于初、次級(jí)繞組之間.次級(jí)繞組以輸出功率的大小為依據(jù),功率大的靠近初級(jí)繞組以減小漏感,如果繞組匝數(shù)較少,應(yīng)使繞組均勻充滿整個(gè)骨架.[!--empirenews.page--]

1.3.2　輔助電路的設(shè)計(jì)

TNY268P系列芯片的內(nèi)保護(hù)電路比較完善,外部保護(hù)電路的設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單.除了過流保護(hù)、EMI濾波器外,主要是保護(hù)電路的輸入欠壓檢測(cè)電路、散熱設(shè)計(jì)等.

1）欠壓電路設(shè)計(jì)

TNY268P內(nèi)部集成輸入欠壓檢測(cè)電路,通過EN/UV端的外接電阻R2和R3監(jiān)控輸入電壓.當(dāng)輸入電壓較低或突然降低時(shí),R2和R3檢測(cè)電壓值只要低于欠壓閥值電壓（AC170V）,TNY268P自動(dòng)關(guān)斷,以達(dá)到保護(hù)目的.

2）鉗位保護(hù)電路設(shè)計(jì)

單片式開關(guān)電源屬于單管電路,在TNY器件關(guān)斷瞬間由變壓器的漏感引起的尖峰電壓較高,將會(huì)導(dǎo)致TNY器件的損壞.R1,D5和C5構(gòu)成的RCD吸收回路使TNY器件的漏極電壓限制在700V以下,防止TNY器件的損壞.另外為有效地降低音頻噪聲,設(shè)計(jì)時(shí)D5選高壓穩(wěn)壓二極管VDz,C5選壓電效應(yīng)很小的聚脂薄膜電容;R1取100kΩ～150kΩ.

3）反饋電路設(shè)計(jì)

由于該電源應(yīng)用于電器控制系統(tǒng),所以要求精度和穩(wěn)定性較好.為滿足設(shè)計(jì)要求,采用TL431型可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器,以提高輸出電壓的穩(wěn)定性.電壓反饋電路應(yīng)從LC濾波器的前面引出,LC的諧振頻率要高,以濾出開關(guān)噪聲電壓.

4）散熱設(shè)計(jì)

TNY268P芯片屬于DIP-8封裝,無需外接散熱片,靠銅箔接地并起到散熱作用,在PCB設(shè)計(jì)時(shí)需直接焊接在PCB上,并盡量增大敷銅面積,周圍留足夠的散熱空間,必要時(shí)在其頂端用膠粘上散熱片,增加散熱效果.除上述所涉及的參數(shù)之外,還有輸入、輸出整流濾波電路的設(shè)計(jì)。

2　電磁兼容性設(shè)計(jì)

電磁兼容性（EMC）已成為檢驗(yàn)家電產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)劣的重要指標(biāo),開關(guān)電源工作在高頻開關(guān)狀態(tài),其內(nèi)部電壓及電流的波形都是瞬變的,所產(chǎn)生的干擾主要有尖峰干擾、射頻干擾和音頻噪聲,屬于強(qiáng)噪聲源,且頻率越高噪聲越大.從某種程度上說,電磁兼容性問題成了阻礙開關(guān)、電源在家用電器控制系統(tǒng)中推廣應(yīng)用的主要因素之一.因此,在家用電器控制系統(tǒng)的輔助電源設(shè)計(jì)中,研究電磁兼容性設(shè)計(jì)是重要環(huán)節(jié).設(shè)計(jì)過程中還需要從以下幾個(gè)方面考慮:

1）電磁干擾抑制.在交流輸入加EMI濾波器,或帶金屬屏蔽外殼EMI濾波器,以避免電磁干擾發(fā)射.PCB布局時(shí),EMI濾波器遠(yuǎn)離輸出級(jí);PCB板上的相關(guān)導(dǎo)線應(yīng)盡量短而寬,尤其漏極的引線要盡可能短,從而最大限度地減小射頻干擾.

2）瞬態(tài)干擾的抑制.瞬態(tài)干擾會(huì)造成單片開關(guān)電源輸出電壓的波動(dòng),嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞器件,必須采取措施加以抑制.交流采用三線輸入方式,G端接通大地;在初、次級(jí)繞組之間并聯(lián)一只安全電容C13,以減小級(jí)間耦合;初、次級(jí)繞組之間繞3～5層0.05mm厚的聚脂絕緣膠布,降低高頻變壓器的分布電容,減小瞬態(tài)峰值電流;提高整流橋耐壓值并適當(dāng)增加輸入濾波器C1的容量;在交流進(jìn)線端并聯(lián)一只壓敏電阻ZR1對(duì)浪涌電壓進(jìn)行鉗位.

3）音頻噪聲的抑制.音頻噪聲主要由電容和高頻變壓器產(chǎn)生.采用特殊的膠合劑粘接磁芯,降低因磁芯之間產(chǎn)生相對(duì)位移而引起的音頻噪聲;選擇磁通密度較低的磁芯,例如將磁通密度從0.3T減小到0.2T時(shí),可使音頻噪聲降低10dB～15dB.

3　結(jié)論

結(jié)合電器控制系統(tǒng)輔助電源的特點(diǎn),采用TNY268P設(shè)計(jì)了雙輸出的單片式開關(guān)電源,并給出了設(shè)計(jì)步驟.本文從高頻變壓器、輔助電路以及電磁兼容性等方面對(duì)單片式開關(guān)電源進(jìn)行了分析和工程設(shè)計(jì),并在冰箱、洗衣機(jī)等電器控制系統(tǒng)進(jìn)行了多次運(yùn)行試驗(yàn),結(jié)果表明,該電源在實(shí)際工作中性能穩(wěn)定、工作可靠,通用性強(qiáng),抗電磁干擾性能好,成本低、易于集成,能滿足電器控制系統(tǒng)的技術(shù)要求.[!--empirenews.page--]