基于TNY277P的3路输出开关电源的设计

2021-01-28蔡婷

锦绣·下旬刊 2021年6期

蔡婷

摘要：本文介绍了开关电源芯片TNY277P的工作特性和原理，并以此为核心设计了一种开关稳压电源，讨论了直流输入电压情况下单端反激式开关电源设计中的关键问题，如变压器如何设计，漏感引起尖峰电压的缓冲电路设计及器件的选型等问题，并提出来计算选型的方案，提供了实验波形，验证了方案的正确性。

关键词：开关电源;高效率;高稳定性 ;高可靠性

前言

开关电源被誉为高效、节能型电源，它代表着稳压电源的发展方向。目前，单片开关电源集成电路以其高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标的显著优点[1]，获得了在家用电器、科学实验、教学设备等等领域广泛的应用。随着电子技术的高速发展，各种电子设备对电源的要求越来越高，电源也朝着高效率、高可靠性以及智能化的方向发展。传统开关电源使用专门的脉宽调制芯片，结构复杂，而单片开关电源是将开关电源的主要电路都集成在一个芯片中，能实现脉宽调制、输出隔离及多种保护功能[2]。

1 开关电源的设计实现

在本文中，使用单端反激式开关稳压电源电路进行低功率开关电源的设计，DC310V输入，+15V/0.5A、-15/0.1A及12V/0.8A输出。

1.1 TNY277P芯片简介

开关电源芯片TNY277P集成了一个700 V的功率MOSFET、振荡器、高压开关电流源、电流限流（用户可选）及热关断电路。与通常的PWM（脉宽调制）控制器不同，它使用简单的开/关控制方式来稳定输出电压。这个控制器包括了一个振荡器、使能电路（感测及逻辑）、流限状态调节器、5.85V稳压器、旁路/多功能引脚欠压及过压电路、电流限流选择电路、过热保护、电流限流电路，前沿消隐电路及一个700V功率MOSFET管。增加了欠压检测、自动重启动、自动调整的开关周期导通时间延长及频率抖动功能，精确的迟滞热关断保护并具备自动恢复功能。改善的自动重启动功能在短路及开环故障状况下实现<3%的最大输出功率。高宽带提供快速的无过冲启动及出色的瞬态负载响应扩大了漏极与其它引脚间的爬电距离，提高了应用的可靠性。

2 开关电源的原理图

本开关电源主要由高频变压器、输出整流滤波电路及控制电路部分组成。采用了TNY277P和PC817 、TL431等专用芯片以及其他的电路原件相配合的方案，设计出通过整流、反馈、滤波、稳压等电路来实现自动稳压功能的单端反激式开关电源。开关电源的设计原理图如图一所示：

此电源具有特性包括高效率（>80%）以及極低的空载功耗（<50mW）。直流输入电压加到变压器的初级绕组上，U1中集成的MOFET驱动变压器初级的另一侧。二极管V1、Csn、Rsn组成缓冲电路。通过缓冲电路的设计使漏极的漏感关断电压尖峰控制在安全值范围以内。齐纳二极管缓冲及RC的结合不但优化了EMI，而且更有效率。由于TNY277P完全是自供电的，因此在变压器上无须辅助绕组或偏执绕组。如果使用偏执绕组，可实现输出过压保护功能，在反馈出现开环故障时保护负载。使用10uF的BP/M引脚电容，器件工作的电流限流点会升高，在温度允许的情况下，使器件的峰值输出功率会持续输出，功率有所增加。

二次绕组的输出电压经过二极管整流，在经过CC滤波后获得直流输出电压U，V2、V4采用超快速恢复二极管MUR420，V3采用二极管UF4004。使用一个TL431及光耦PC817反馈对输出电压进行稳压[3]。基于TL431的电压反馈电路中TL431功能为当输出电压12V经过R13和R14的分压小于TL431的参考电压Vref（=2.5V）时，TL431输出的电压将近似等于12V，此时光耦器件不导通，光耦输出为高电平，不影响TNY277P的脉宽输出;反之，如果输出电压12V的分压超过Vref，则TL431输出约为2V，此时光耦器件导通，输出为低电平，封锁TNY277P的输出[4]。

3 缓冲电路设计

在开关电源设计中高频变压器的设计采用PI软件进行设计获得变压器的参数。当TNY277P的MOSFET关闭时，由于主变压器漏感（Llk1）和MOSFET的输出电容器（COSS）之间的谐振，漏极引脚上出现高压尖峰。这个漏极引脚上的电压过高可能导致雪崩击穿并最终损坏MOSFET。因此，设计合适的缓冲电路尤其重要。以下为此部分电路的详细计算过程。

当TNY277P 的Vds超过Vin+nVo时通过打开缓冲二极管（V1）使这个缓冲电路吸收泄漏电流。假设电容足够大，那么在一个开关周期不会变化。当MOSFET关断并且Vds被充电到Vin+nVo时，一次电流通过缓冲二极管流向Csn，次级二极管同时打开。

在最小输入电压和满载条件下，缓冲电路中消耗的功率可通过方式1获得：

式中ipeak是一次侧电流的峰值，Vsn是通过电容器Csn的电压，n是主变压器匝比，fs是反激变换器的开关频率。这个缓冲电容器电压（Vsn）应在最小输入电压和满载条件下确定。Vsn应该是nVo的2-2.5倍。很小的Vsn会导致缓冲电路中的严重损耗，如上面的等式所示。

由于缓冲电阻器（Rsn）中消耗的功率是Vsn2/Rsn，因此通过方式2获得电阻：

根据功率损耗选择合适额定功率的缓冲电阻。缓冲电容器电压的最大纹波如下：

一般来说，5～10%的波动是合理的。因此，选择纹波为10%利用上述公式计算缓冲电容等式。让Vsn是nVo的两倍， Llk1和ipeak测量分别为100?H和400mA，计算Rsn为31.5KΩ，Csn为2.4nF，实际选取Rsn为30KΩ，Csn选取2nF。

4 结论

本文分析了直流310V输入电压下单端反激式开关电源的设计方法与关键问题，包括器件的选择、电路参数的设定与开关电压器的设计，利用三端稳压器TL431配合光耦PC817实现了对电源电压的控制和稳压输出。提出的方案切实可行，设计的开关电源稳压性能优良、纹波小等优点。

此外，在实际开关电源设计中，还需要考虑器件及布线过程中的安全耐压问题，防止距离过近造成的爬电影响，优化布线，减少电路中的分布电感和分布电容。

参考文献

[1] 沙占友.新型单片开关电源设计及应用[M].北京：电子工业出版社，2001.6

[2] 沙占友.开关电源的电路设计[J].电气自动化，1997（3）