基于HiperTFS™ TFS762HG的14.5W待机和300W主电源参考设计

一、引言

在当今的电子设备中，电源供应的高效性和稳定性至关重要。特别是对于PC电源这类需要同时提供主电源和待机电源的应用场景，如何设计出满足性能要求的电源方案是工程师们面临的重要挑战。本文将详细介绍一款基于HiperTFS™ TFS762HG的14.5W待机和300W主电源参考设计，该设计具有高转换效率、多种保护功能等特点，适用于PC电源等应用。

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此设计使用固定DC输入电压，在典型应用中会连接到PFC升压输入级，提供约385VDC以实现300W的电源供应。评估时需要一个能提供400VDC、3A的实验室直流电源或交流输入整流级，也可以使用功率因数电路RDK - 236来提供RDK - 249所需的385VDC稳压电源。

二、电源规格

输入参数

描述	符号	最小值	典型值	最大值	单位	注释
仅待机电压	VIN	100	-	420	VDC	相当于85VAC - 295VAC
主电源和待机电源电压	VIN	300	380	420	VDC	-
空载输入功率（324VDC）	PIN	-	-	0.3	W	相当于230VAC，仅待机

输出参数

描述	符号	最小值	典型值	最大值	单位	注释
输出电压1（待机）	VOUT1	4.75	5.00	5.25	V	±5%，最小负载40mA
输出电流1（待机）	IOUT1	0.04	2.9	5	A	±10%
输出纹波电压1（待机）	VRIPPLE1	-	-	50	mV	20MHz带宽
输出电压2（主12V）	VOUT2	11.4	12.00	12.6	V	±5%，最小负载100mA
输出电流2（主12V）	IOUT2	0.1	25	28.33	A	±10%
输出纹波电压2（主12V）	VRIPPLE2	-	-	120	mV	20MHz带宽
总输出功率1	POUT1	14.5	20	-	W	仅待机
总输出功率2	POUT2	-	300	-	W	仅主12V
总输出功率3	POUT3	-	314.5	-	W	主电源和待机电源
总峰值输出功率	PPEAK	-	380	-	W	主电源和待机电源
保持时间	THOLD_UP	20	-	-	ms	POUT3

效率和温度参数

描述	符号	值	单位	注释
主电源和待机电源效率	η	86.5	%	100%负载
仅待机效率	η	76	%	100%负载
环境温度	TAMB	0	50	°C	强制冷却，海平面

三、电路描述

3.1 电源输入和滤波

该电路专为输出功率高达300W的PC电源设计。二极管D13可防止输入电压反接导致的灾难性故障，此时保险丝F1会熔断。电容C1作为大容量储能元件，能在满载情况下从385VDC初始输入电压提供至少20ms的能量。

3.2 初级侧

C2、R1、R6和VR3组成关断钳位电路，限制U6的漏极电压。齐纳二极管VR3提供确定的钳位电压，使钳位电容C2上的最大电压保持在150V。由于普通恢复二极管D3和D4的缓慢恢复特性，大部分泄漏和磁化能量会返回转换器。主电源和待机电源共享复位/泄漏尖峰钳位，减少了元件数量。

BYPASS（BP）引脚与C12为HiperTFS控制器提供去耦工作电压。启动时，旁路电容由内部器件电流源充电。当BP引脚电压达到5.8V时，待机转换器开始开关，+5V待机输出和初级侧偏置电压开始上升。偏置/辅助电源绕组的输出由二极管D12整流，电容C20滤波。偏置绕组的输出在仅待机运行时通过电阻R16为HiperTFS的BP引脚供电。当远程开关SW1激活U3A和U3B并使Q1导通时，初级偏置电源通过Q1和D10提供额外电流。在完整的PC电源应用中，该电压通过J4连接器为PFC控制器提供偏置。

ENABLE（EN）引脚是待机控制器部分的反馈引脚，启动前可通过连接到BP的电阻R27选择待机部分的几个内部电流限制之一。FEEDBACK（FB）引脚的电阻R25也可用于以相同方式在启动时选择三个主电流限制之一。

3.3 输出整流

对于待机部分，二极管D11进行输出整流，低ESR电容C17提供低纹波滤波。电感L2和电容C15组成后置滤波器，进一步降低输出中的开关纹波和噪声。

对于主电源部分，二极管D7在主电源导通期间整流，二极管D6作为续流二极管，为输出电感L1在主电源关断期间提供电流放电路径。电感L1与电容C10和C11组成输出滤波器，滤除开关输出纹波和噪声。

3.4 输出反馈

对于待机部分，电阻R34和R31组成网络分压器，将电源输出电压分压后输入误差放大器U7。U7内部的放大器控制U2A的阴极电压，使分压器电压保持在2.5V ±2%。阴极电压的变化会导致光耦合器U2A内二极管电流的变化，进而改变U2B内晶体管的电流。电容C19为EN引脚提供强大的噪声抑制。当从EN引脚吸收的电流超过EN引脚阈值电流时，下一个开关周期被抑制；当输出电压低于反馈阈值时，允许导通周期发生。通过调整启用周期的数量，维持输出调节。随着负载减小，启用周期的数量减少，降低了有效开关频率，并根据负载调整开关损耗，从而在轻负载下实现几乎恒定的效率，满足能源效率要求。

对于主电源部分，电阻R9和R24为U5误差放大器提供直流参考。U5以类似方式控制光耦合器U1，通过从FB引脚吸收的电流调整主转换器的工作占空比，与待机转换器的全周期开/关控制不同，FB引脚电流以线性方式控制主转换器的占空比。

3.5 输出过压保护

主电源和待机电源的输出过压保护通过光耦合器U4实现。如果反馈回路断开或由于其他内部或外部原因，输出电压超过允许的最大限制，VR1和/或VR2将激活围绕U4构建的保护电路。当U4B的输出导通时，流入BP引脚的电流超过15mA的锁存关断阈值电流，触发HiperTFS的锁存关断功能，设备停止开关，保护输出。锁存状态会使开关停止，直到流入L引脚的源电流低于10μA时锁存才会复位。

四、变压器和电感规格

4.1 待机变压器

• 电气规格：电气强度在1秒、60Hz下，从引脚1 - 5到引脚6 - 10为3000VAC；初级电感在100kHz、0.4VRMS下，引脚1 - 2且其他绕组开路时为850μH ±10%；谐振频率引脚1 - 2且其他绕组开路时最小为2.15MHz；泄漏电感在100kHz、0.4VRMS下，引脚1 - 2且次级引脚短路时最大为18μH。
• 材料：采用TDK EE25磁芯（PC40EE25.4 - Z）、YW - 360 - 02B骨架，使用#29AWG、#33AWG和#20AWG三重绝缘线，还使用了3M 1298聚酯薄膜胶带和清漆。
• 绕制方法：按照特定的绕制顺序和方向进行绕组，每层绕组之间使用胶带绝缘，最后组装磁芯并打磨以达到2.15mH的电感值，再用胶带固定并涂覆清漆。

4.2 主变压器

• 电气规格：电气强度在1秒、60Hz下，从引脚1 - 7到引脚8 - 14为3000VAC；初级电感在50kHz、0.4VRMS下，引脚2 - 6且其他绕组开路时为23mH ±25%；谐振频率引脚2 - 6且其他绕组开路时最小为200kHz；初级泄漏电感在50kHz、0.4VRMS下，引脚2 - 6且引脚8 - 14短路时最大为25μH。
• 材料：采用TDK PC40HEER35 - Z磁芯、YC - 3508骨架，使用#24AWG重型Nyleze漆包线、#31AWG重型Nyleze漆包线和8密耳厚的铜箔，还使用了多种不同宽度的3M聚酯薄膜胶带和清漆。
• 绕制方法：同样按照特定的绕制顺序和方向进行绕组，每层绕组之间使用胶带绝缘，最后组装磁芯并用胶带固定，再涂覆清漆。

4.3 主输出电感

• 电气规格：磁芯有效电感AL = 95nH/N²，引脚1 - 2在100kHz下测量的电感为35.8μH ±10%。
• 材料：采用Micrometals T132 - 52磁环和#17AWG可焊双涂层漆包线。
• 绕制方法：使用4根约100cm长的漆包线，在约2层中牢固地沿一个方向绕制19圈，起始从FL1、FL2、FL3、FL4开始，结束于FL5、FL6、FL7、FL8，并留约½”长的引线，最后将所有引线镀锡约½”。

五、性能数据

5.1 效率

• 主电源和待机电源效率：在室温、强制冷却条件下，主电源和待机电源的效率随输出功率水平变化，整体效率较高。
• 全功率待机效率与等效交流输入电压关系：全功率待机效率随等效交流输入电压变化，在一定电压范围内保持相对稳定。
• 待机效率与输出功率关系：待机效率在不同等效交流输入电压下随输出功率变化，在轻负载下也能保持较好的效率。
• 仅待机空载输入功率：仅待机时的空载输入功率随等效交流输入电压变化，数值较低，符合节能要求。

5.2 电压调节

• 主负载调节：主输出电压在不同输出电流下保持相对稳定，调节性能良好。
• 待机负载调节：在不同等效交流输入电压下，待机输出电压随输出电流变化较小，负载调节能力较强。
• 待机线路调节：在满载情况下，待机输出电压随等效交流输入电压变化较小，线路调节性能较好。

5.3 热性能

在室温下，全输出功率运行时间应控制在10分钟以内。若要长时间全功率运行或进行过功率测试，需要提供强制风冷。在更换功率元件时，要确保散热器机械组装表面清洁光滑，并在接触表面涂抹导热油脂，即使是隔离垫也不例外。

5.4 波形

通过示波器记录了主电源和待机电源在正常运行、启动、过压保护、短路等各种情况下的电压和电流波形，直观展示了电源的工作状态和性能。

六、设计注意事项

1. 安装TFS762HG和eSIP夹时要格外注意，TFS762HG必须与PCB平齐安装，夹与TFS762HG边缘之间至少要有2mm的间隙，以避免暴露的金属端与安装夹短路。
2. 为方便操作，提供了两个LED焊盘用于可选的视觉控制，但所有空载测试必须在不安装LED的情况下完成。
3. J1_OPTIO仅在原理图和物料清单中作为替代选项提供。

综上所述，这款基于HiperTFS™ TFS762HG的电源参考设计在性能、效率和保护功能等方面表现出色，为PC电源等应用提供了一个可靠的解决方案。工程师们在实际应用中可以根据具体需求对设计进行适当调整和优化。大家在实际设计过程中是否也遇到过类似的电源设计挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和想法。