TinySwitch-PK轻松提供峰值功率

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　　当今电子系统设计的一个重要目标是优化成本和降低功耗。个人视频录像机(PVR)和其它包含磁盘驱动器的消费类产品，在这个方面所面临的挑战非常具有代表性。这些设备在稳态工作条件下，通常运行非常平稳，功耗也相对较低。然而在启动时，它们的驱动器却需要数倍于静态功耗的电能，以便迅速旋转盘片进行加速。设计用于提供启动电流的电源不但成本更高，体积更大，而且自身消耗的功率也要比大部分时间所需要的功率多。
　　具有间歇性高峰值负载的其它消费类设备有：DVD播放器中用于启动光盘的电机、有源扬声器(如MP3对接站)以及相片打印机和热敏打印机。针对此类应用，PI(Power Integrations)公司推出了TinySwitch-PK离线式开关系列产品。以TNY375P为例，它采用低成本的DIP-8封装，能够提供6W的连续输出功率(12.5W峰值)，通过对开关频率进行智能化控制，可由仅设计为6W输出功率的变压器提供峰值功率。该系列中最大的器件(TNY380P)可以提供35W的峰值功率。TinySwitch-PK离线式开关采用了经PI优化的开/关控制方法(见图1)。

图1 典型的峰值功率应用

　 　TinySwitch-PK集成了一个700V的功率MOSFET、振荡器、开/关控制器、电流限流(用户可选)及热关断电路。在使能状态下，振荡器在每个时钟周期开始时开启功率MOSFET。当电流达到限流点时，MOSFET才会关断。由于TinySwitch-PK设计的最高限流值与频率是定值，它提供给负载的功率与变压器初级电感及峰值初级电流的平方成正比。
　　TinySwitch-PK的内部时钟始终工作。它在每个时钟周期上升沿对EN/UV引脚进行取样，来决定是否执行一个开关周期，并根据多个周期的取样序列确定适当的限流。重负载时，限流状态调节器将限流设置到最高值。对于TinySwitch-PK而言，当状态调节器将限流设置到其最高值时，振荡器频率也将提高一倍，从而提供独特的峰值功率模式。负载减轻时，限流状态调节器会相应将限流值的设置降低。在较低的电流限流点水平时，振荡器频率恢复到标准值。
　　电源设计中的一个关键问题是安全可靠性。TinySwitch系列产品面向普通模拟电路设计师而开发，即便不是电源专家也可使用。它只需要极少的外部元件，因此可以在单面PCB板上实现电源设计。不过，峰值功率特性决定了系统设计师必须考虑峰值功率条件下的总能量预算。电流达到峰值水平时，不仅TinySwitch器件中的热量，而且变压器和其它元件中的热量都会急剧增加。
　　TinySwitch集成有带迟滞范围的热关断功能。关断阈值通常设置为142℃，此时器件将安全关断。一旦结温度下降75℃，开关将自动重启动。集成迟滞范围可以防止器件下的热量过大，进而烧毁PCB板。为了确保电源中的其它元件安全工作，电源设计师必须考虑出现峰值功率的频率及其持续时间，以免热量过度增加。为此，应当适当调整元件尺寸，采用适当的通风和散热设计。图2所示为多路输出电源的电路图，该电源适用于DVD播放器。

图2 四路输出7.5W（13W 峰值）电源

　　参考PI发布的应用指南AN-42中的指导方法，可以快速选择用于此AC-DC反激式电源的关键元件。通过使用免费提供的PI Expert设计软件套件的一部分 —— PI Xls设计表格，应用指南将指导设计师完成元件选择和变压器设计过程。
　　对电源设计师而言，最可怕的事情莫过于，在刚刚完成一个经济高效的设计方案后，负载要求或系统热预算却发生了变化。由于TinySwitch-PK系列产品的电流限流点由连接至BP引脚(图2中的C4)的电容值决定，因此，TinySwitch-PK系列产品具有应对此变化的灵活性。小至0.1mF的陶瓷电容可以用作内部电源的去耦器件，而较大的电容则可用于调节电流限流点。1mF的BP/M引脚电容要选择一个较小的限流值(等于相邻更小型号的TinySwitch-PK器件的标准流限值)，10mF的BP/M引脚电容需选择一个较大的限流值(等于相邻更大型号器件的标准限流值)。通过选择相应的电容值，设计师不仅可以为应用设置适合的电流限流点，还可以灵活选择TinySwitch-PK系列产品中不同的器件，无需重新设计变压器、输出级、布局，也不会影响电路的EMI性能。