基于TinySwitch-4 TNY288PG的12W电源设计解析

一、引言

在电子设备的电源设计领域，高效、可靠且符合各种标准的电源供应至关重要。今天我们来详细探讨一款由Power Integrations公司推出的基于TinySwitch - 4 TNY288PG的12W通用输入电源设计。该设计涵盖了电源的完整规格、详细电路图、物料清单、变压器设计以及大量测试数据和波形图，为工程师们提供了一个优秀的参考范例。

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二、电源规格

2.1 输入参数

• 电压范围：输入电压范围为85 - 265VAC，适应全球不同地区的电网电压。
• 频率范围：频率范围是47 - 64Hz，能兼容常见的50Hz和60Hz电网频率。

  2.2 输出参数

• 输出电压：输出电压为12V，允许±8%的偏差，即输出电压在11 - 13V之间。
• 输出电流：输出电流为1A，连续输出功率为12W。
• 输出纹波电压：输出纹波电压在20MHz带宽下不超过100mV。

  2.3 其他特性

• 空载输入功率：在230VAC时，无偏置绕组支持下空载输入功率为0.15W，有偏置绕组支持时空载输入功率低至0.025W。
• 效率：满载效率达到84%，满足美国DOE EISA2007（Level VI）和欧洲委员会行为准则（Version 5）等能效标准要求，平均效率不低于83%。
• 过压保护：过压保护阈值在15 - 18V之间，确保电源在异常情况下的安全。
• 电磁兼容性：满足CISPR22B / EN55022B传导EMI标准，具备良好的电磁兼容性。
• 安全标准：设计符合IEC950、UL1950 Class II安全标准。
• 浪涌保护：能承受1kV的差模浪涌（1.2/50µs）和2kV的共模浪涌。
• 环境温度：工作环境温度范围为0 - 50°C，适用于大多数常见环境。

三、电路描述

3.1 输入整流与滤波

交流输入电压通过输入桥D1 - D4进行整流，整流后的直流电压由大容量存储电容C1和C2进行滤波。电感L1、C1和C2构成输入π滤波器，有效衰减差模传导EMI。

3.2 TNY288PG工作原理

TNY288PG芯片U1集成了功率开关器件、振荡器、控制、启动和保护功能。整流滤波后的输入电压施加到变压器T1的初级绕组，在开关周期开始时，控制器开启功率MOSFET，电流在初级绕组中上升，将能量从大容量电容传递到变压器。当电流达到限制阈值时，控制器关闭功率MOSFET，存储的能量在反激时间内传递到输出电容。 当功率MOSFET关闭时，变压器的漏感会在漏极节点产生电压尖峰，由RCD钳位网络（D5、C4和R2）限制尖峰幅度。电阻R2和R1不仅能抑制MOSFET关闭时的高频漏感振荡，还能限制MOSFET开启时D5的反向电流，允许使用低成本的慢恢复玻璃钝化二极管，同时提高传导EMI性能和效率。齐纳二极管VR1在平均开关频率较低时定义C4两端的最低电压，防止钳位电路成为显著负载，提高轻载效率并降低待机输入功率。 U1采用ON/OFF控制方式，根据反馈到其ENABLE/UNDERVOLTAGE（EN/UV）引脚的信号跳过开关周期来调节输出电压。在每个开关周期之前，采样EN/UV引脚电流以确定是否启用该开关周期。为了均匀分布开关周期，防止脉冲分组，EN/UV引脚阈值电流在115µA和60µA之间调制。内部状态机根据工作条件将电流限制设置为4个级别之一，确保开关频率保持在可听范围以上，减少变压器产生的可听噪声。

3.3 输出整流与滤波

输出整流由二极管D7完成，低ESR电容C10用于实现最小的输出电压纹波和噪声。后置滤波器（铁氧体磁珠L2和电容C11）进一步衰减噪声和纹波，以满足规格要求。

3.4 反馈与输出电压调节

电源的输出电压调节设定点由齐纳二极管VR3、电阻R6和光耦U2中的LED两端的电压决定。电阻R4的作用是在VR3进入反向雪崩导通时将其偏置到约0.5mA，确保其工作在额定拐点电流附近。电阻R6限制负载瞬变期间的最大电流。R4和R6的值可以略微调整以微调输出调节设定点。当输出电压高于设定点时，U2中的LED正向偏置，初级侧的光电晶体管导通，从U1的EN/UV引脚吸取电流。在每个开关周期开始之前，控制器检查EN/UV引脚电流，如果电流大于115µA，则禁用该开关周期。通过启用和禁用开关周期，输出电压保持在调节设定点附近。为了提高输出电压调节精度，可以使用如TL431等参考IC代替VR3。

3.5 输出过压关机

过压检测通过检测整流后的偏置绕组电压来实现。过压阈值为VR2和BYPASS（BP）引脚电压之和（15V + 5.8V）。当出现过压情况，偏置绕组输出电压超过阈值电压时，电流开始流入BYPASS引脚。当该电流超过5mA时，U1内部的关机电路被激活。复位通过移除输入电源并使BYPASS引脚电压降至2V以下来实现。电阻R7和R3对偏置电压进行额外滤波，R3还限制过压情况下流入BYPASS引脚的最大电流。

3.6 EMI设计方面

除了简单的输入π滤波器（C1、L1和C2）用于差模EMI抑制外，该设计还在变压器中采用屏蔽技术来减少共模EMI位移电流。电阻R2和电容C4组成阻尼网络，减少高频变压器振荡。结合TNY288PG的频率抖动功能，实现了出色的传导和辐射EMI性能。

3.7 峰值初级电流限制选择

原理图中显示了连接到BP/M引脚的电容C7、C8和C9的三种可能值。不同的电容值可以用于选择TinySwitch - 4系列的电流限制。

• 当使用0.1µF的BP/M引脚电容时，选择标称电流限制，这是典型封闭式适配器应用的常用选择。
• 使用1µF的BP/M引脚电容时，电流限制降低，可降低器件的RMS电流，提高效率，但会牺牲最大功率能力。
• 使用10µF的BP/M引脚电容时，电流限制高于标称值，可扩展需要更高功率的应用的功率能力，但需考虑热条件。 RD - 399演示板上安装了0.1µF的电容C7，使U1选择TinySwitch - 4数据手册中规定的标准电流限制。如果将C7替换为1µF的电容（BOM中的C8），U1的电流限制将与TNY287PG设备的标准电流限制相同；如果安装10µF的电容，U1的电流限制将与TNY289PG设备的标准电流限制相同。这种灵活性使设计师能够在不实际更换IC的情况下测量切换到相邻设备的效果，也可以使用较大的设备并降低电流限制以提高效率，或者在不需要持续高功率的设计中使用较小的设备并提高电流限制，从而降低电源成本。

  3.8 欠压锁定

  RD - 399电路板上有一个位置可以安装可选的欠压（UV）锁定检测电阻（R5）。安装后，在启动时，直到流入EN/UV引脚的电流超过25µA，MOSFET开关才会启用。设计师可以通过选择R5的值来设置MOSFET开关启用的输入电压。例如，3.6MΩ的电阻需要65VAC（C2两端92VDC）的输入电压才能使流入EN/UV引脚的电流超过25µA。欠压检测功能还可以防止电源输出在输出调节丢失（关机期间）后出现故障重启，通过禁用MOSFET开关直到输入电压高于欠压锁定阈值。

四、PCB布局与物料清单

4.1 PCB布局

PCB尺寸为3.2×1.8英寸，合理的布局对于电源的性能和稳定性至关重要。在设计PCB布局时，需要考虑元件的分布、走线的长度和宽度、散热等因素，以确保电源的高效运行。

4.2 物料清单

物料清单详细列出了电源设计所需的各种元件，包括电容、电阻、二极管、电感、变压器、芯片等。每个元件都有其特定的参数和型号，选择合适的元件对于实现电源的性能指标至关重要。例如，电容的容量、耐压值，电阻的阻值、功率等都需要根据电路的要求进行选择。

五、变压器设计

5.1 电气规格

• 电气强度：在引脚1 - 5到引脚6 - 10之间，能承受1秒、60Hz、3000VAC的电压。
• 初级电感：引脚1 - 3，其他绕组开路，在100kHz、0.4VRMS下测量，初级电感为1189µH ±10%。
• 谐振频率：引脚1 - 3，其他绕组开路，谐振频率最小为500kHz。
• 初级漏感：引脚1 - 3，引脚6 - 8短路，在100kHz、0.4VRMS下测量，初级漏感最大为50µH。

  5.2 材料清单

  变压器的材料清单包括磁芯、骨架、漆包线、胶带、清漆等。磁芯采用PC40EE25 - Z，骨架为EE25垂直10引脚。不同规格的漆包线用于不同的绕组，胶带用于绝缘，清漆用于浸渍变压器，提高其绝缘性能和机械强度。

  5.3 变压器构建

  变压器的构建过程包括骨架设置、绕组绕制、绝缘处理、磁芯组装和浸漆等步骤。每个步骤都有严格的要求，例如绕组的匝数、绕制方向、绝缘层的厚度等，这些因素都会影响变压器的性能。

六、性能测试

6.1 效率测试

TinySwitch - 4采用的ON/OFF控制方案在25% - 100%负载范围内实现了几乎恒定的效率，即使在负载低于额定输出功率的10%时，效率仍保持在70%以上，满足全球外部电源能效标准要求。在不同输入电压（85VAC、115VAC、230VAC、265VAC）和输出电流下进行效率测试，结果显示该电源设计具有良好的效率表现。

6.2 空载输入功率测试

分别测试了无偏置绕组补充（R8未安装）和有偏置绕组支持（R8安装）两种情况下的空载输入功率。在有偏置绕组支持时，空载输入功率显著降低，说明偏置绕组的使用有助于降低待机功耗。

6.3 可用待机输出功率测试

测试表明，该电源在低输入功率消耗水平下仍能提供一定的输出功率，体现了ON/OFF控制方案的优势，简化了需要满足严格待机功耗要求的产品设计，如打印机、机顶盒、DVD播放器等。

6.4 调节性能测试

通过负载和线路调节测试，观察输出电压随输出电流和输入电压的变化情况。结果显示，输出电压在不同负载和输入电压下能够保持在规定的范围内，具有良好的调节性能。

6.5 热性能测试

使用T型热电偶测量关键组件（如TNY288PG、变压器、输出整流器、输出电容等）的温度。在50°C的环境温度下，满载运行1小时后，各组件的温度上升均在可接受范围内，说明该电源设计具有良好的热性能。

6.6 波形测试

通过示波器观察关键节点的波形，如漏极电压和电流、输出电压启动曲线、负载瞬态响应、输出纹波等。这些波形可以直观地反映电源的工作状态和性能，为电源的优化和改进提供依据。

6.7 线路浪涌测试

对电源进行差模和共模线路浪涌测试，输入电压设置为230VAC / 60Hz，输出满载。测试结果表明，电源在1kV差模浪涌和2kV共模浪涌下均能正常工作，通过了所有测试条件。

6.8 传导EMI测试

在115VAC和230VAC满载（12V，1A）条件下进行传导EMI测试，测量结果显示该电源满足EN55022B / CISPR22B传导限制，且有良好的裕量（>10dB）。

6.9 可听噪声测试

在无外壳的开放框架单元中，使用音频精密分析仪在离变压器T1磁芯1英寸处测量可听噪声。测试在声学隔离和阻尼室中进行，负载调整到获得最大读数。结果表明，在频率低于18kHz时，可听噪声低于35dBrA，安装外壳后可进一步降低噪声水平。

七、扩展与灵活应用

7.1 扩展和降低电流限制操作

通过更换BP/M引脚的电容，可以实现TNY288PG的扩展和降低电流限制操作。将C7（0.1µF）替换为10µF电容（C9），TNY288PG将工作在ILIMIT + 1模式，最大初级电流限制从0.55A增加到0.65A，可增加15% - 25%的输出功率，但需注意其他功率组件的散热问题。将C7替换为1µF电容（C8），TNY288PG将工作在ILIMIT - 1模式，最大电流限制从0.55A降低到0.45A，虽然会降低最大输出功率，但可提高效率，尤其是在低输出功率水平下。

7.2 TNY287PG和TNY289PG在RD - 399中的应用

TNY287PG在ILIMIT + 1模式（用10µF电容替换C7）下可在RD - 399参考板上工作，输出功率与TNY288PG相同，为设计工程师提供了在热要求较低的应用中使用低成本部件的选择。TNY289PG在ILIMIT - 1模式（用1µF电容替换C7）下可提供与TNY288PG标准ILIMIT配置相同的输出功率，同时提高效率并降低器件温度，适用于高环境温度环境下的设计。

7.3 过压保护操作验证

在RD - 399正常运行时，通过存储示波器监测输出。通过短路光耦LED触发过压条件，当输出电压上升使VR2导通时，TNY288PG器件锁存关闭。要重置过压保护锁存，需移除交流输入电源，使输入大容量电容完全放电。

八、总结

这款基于TinySwitch - 4 TNY288PG的12W电源设计具有高效、可靠、灵活等优点，满足多种能效和安全标准要求。通过合理的电路设计、变压器设计和PCB布局，以及严格的性能测试，确保了电源在不同工作条件下的稳定运行。同时，该设计还提供了多种扩展和灵活应用的方式，为工程师们在不同应用场景中提供了更多的选择。在实际设计中，工程师们可以根据具体需求对电路进行调整和优化，以实现最佳的性能和成本效益。你在电源设计过程中遇到过哪些挑战呢？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验。