20W PC 待机电源设计：TNY290PG 方案解析

在电子设备的设计中，电源的性能直接影响着整个系统的稳定性和效率。今天我们就来深入探讨一款基于 TinySwitch - 4 系列 TNY290PG 芯片的 20W PC 待机电源设计，看看它是如何满足各种需求的。

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一、电源概述

这款电源设计围绕 TNY290PG 芯片展开，目标是实现一个通用输入的 5V、4A 电源。它不仅可以作为个人计算机（PC）电源的辅助或偏置电源，还能作为 TinySwitch - 4 设备的通用评估平台。由于 PC 电源通常有功率因数校正（PFC）输入级，而偏置电源需要在 PFC 级激活之前工作，所以该电源被设计为通用输入操作。

二、电源规格

输入参数

输入电压范围为 90 VAC - 295 VAC（相当于 100 VDC - 420 VDC），输入频率为 47 - 64 Hz。在 230 VAC 无负载时，输入功率小于 0.035 W。

输出参数

输出电压为 5V，允许 ±5% 的波动范围（即 4.75 - 5.25V），输出电流为 4A，总输出功率为 20W。输出纹波电压在 20 MHz 带宽下不超过 50 mV。

效率要求

在输出功率为 25°C、输入电压大于 90 VAC 且输入无热敏电阻的情况下，满载效率达到 80% 以上，在 20%、50% 和 100% 输出功率时的平均效率也需达到 80% 以上。

其他要求

该电源要满足 CISPR22B / EN55022B 传导 EMI 标准，能承受 1.2/50 μs 浪涌（差模 1 kV、共模 2 kV），设计符合 IEC950、UL1950 类安全标准，环境温度范围为 0 - 50°C。

三、电路设计

输入整流和滤波

电路中的 F1、RT1、C1、L1 和 BR1 主要用于独立测试。F1 保险丝可在短路故障时隔离转换器与电源；RT1 热敏电阻用于限制启动时的浪涌电流；BR1 桥式整流器对输入电源进行整流，并为大容量存储电容 C2 充电。为了准确评估该电源在 PC 待机应用中的效率，建议将输入热敏电阻替换为跳线，并将 C2 电容值增加到与电路中 PFC 输出电容相等。

TNY290PG 初级电路

TNY290PG 芯片集成了功率 MOSFET、振荡器、控制、启动和保护功能。钳位电路（D1、VR1、R1 和 C3）可限制每次功率 MOSFET 关断时 U1 漏极上出现的电压，从而在轻载时提高效率。偏置/辅助电源绕组的输出经 D3 二极管整流和 C4 电容滤波后，可为初级侧的外部电路（如 PFC 和主转换器控制电路）供电。电阻 R4 的值经过选择，可将 IC 电源电流输送到 BP/M 引脚，抑制内部高压电流源对 BP/M 引脚电容（C9）的充电，从而降低轻载和无负载条件下的输入功率消耗。电容 C16 用于对内部产生的 5.85V IC 电源电压进行高频去耦。通过选择不同的 C9 电容值，可以设置 TNY290PG 的内部电流限制。

输出整流

肖特基二极管 D4 负责输出整流，C6 和 C7 是主要的输出滤波电容，L2 和 C8 组成 LC 后置滤波器，可降低电源输出中的开关纹波幅度，C8 还能改善瞬态响应。

输出反馈

电阻 R6 和 R7 构成电压分压器网络，将部分输出电压输入到 TL431（U2）的输入端。TL431 通过改变其阴极电压来保持输入电压恒定（2.5V ±2%）。随着阴极电压的变化，U3 中 LED 和晶体管的电流也会改变。当 EN/UV 引脚电流超过阈值时，下一个开关周期将被禁用；当电流低于阈值时，开关周期将被启用。随着负载的减小，启用的开关周期数量减少，从而降低有效开关频率和开关损耗，使电源在轻负载下仍能保持几乎恒定的效率，满足能源效率要求。电容 C10 用于降低 U3 的增益，确保稳定运行；C11 可防止启动时输出电压过冲。

UV 锁定

电阻 R12 和 R13 连接在桥式整流器 BR1 的输入和 U1 的 EN/UV 引脚之间，实现欠压锁定功能。当这些电阻起作用时，启动将被抑制，直到流入 EN/UV 引脚的电流超过 25 μA。R12 和 R13 的值设置了启动电压阈值，可防止输入电压异常低（如交流输入电容在关机期间放电）时输出电压出现故障。此外，当出现调节失效（如输出过载或短路）时，会检查 UVLO 状态，有效锁定 U1，直到输入电压被移除并重新施加。

过压保护（OVP）

OVP 功能由 VR2 和 U1 内置的锁存关断功能实现。如果反馈回路因 U3 故障等原因变为开路，主输出电压和偏置绕组电压都会升高。当偏置电压超过 VR2 两端电压和 BP/M 引脚电压之和时，电流将流入 BP/M 引脚。当该电流超过过压关断阈值（约 5.5 mA）时，锁存关断功能被触发，MOSFET 开关被禁用。在交流感应配置中，每个线周期都会启用 MOSFET 开关。在配置 3 中，开关将保持禁用状态，直到输入电源移除后电容 C5 放电或 BP/M 引脚电容（C9）放电至低于 4.8V。精密 OVP 电路（如图 3 和图 4 所示）能够确保检测阈值在无负载到满载以及指定范围内的任何线电压下保持大致相同。

四、变压器设计

电气规格

• 电气强度：在 1 - 6 引脚到 6 - 10 引脚之间，承受 3000 VAC、60 Hz 电压 1 秒。
• 初级电感：在 100 kHz、0.4 V RMS 条件下，1 - 3 引脚（其他绕组开路）的电感为 661 μH ±10%。
• 谐振频率：1 - 3 引脚（其他绕组开路）的谐振频率最小为 2500 kHz。
• 初级漏感：在 100 kHz、0.4 V RMS 条件下，1 - 3 引脚（7 - 10 引脚短路）的漏感最大为 14 μH。

材料选择

• 磁芯：采用 TDK PC - 40 或等效材料。
• 骨架：使用 TDK - BE - 22 - 1110CP，10 引脚，垂直，（5/5），PI#: 25 - 00892 - 00 或等效产品。
• 胶带：使用 3M 1350F - 1 或等效的 8.6 mm 宽聚酯薄膜胶带。
• 磁线：使用可焊接的双涂层 #30 AWG 磁线。
• 三重绝缘线：使用 #23 AWG 三重绝缘线。
• 清漆：使用 Dolph BC - 359 或等效清漆。

变压器构建

按照特定的绕线顺序和绝缘要求进行构建，最后进行组装、浸漆、研磨磁芯以达到所需电感值，并将引脚 2 剪短至 3 mm。

五、性能测试

效率测试

在不同输入电压和负载条件下进行效率测试，包括使用 68 μF 输入电容 C2 和热敏电阻 RT1、不使用热敏电阻 RT1 以及 380 VDC 输入等情况。测试结果表明，该电源在各种条件下都能保持较高的效率，满足设计要求。

输出功率测试

测试了最大输出功率与线电压的关系，确保在不同线电压下都能提供稳定的输出功率。

调节性能测试

包括负载调节和线调节测试。负载调节测试显示，在不同输入电压和负载变化时，输出电压能够保持在规定的范围内；线调节测试表明，在输入电压变化时，输出电压也能稳定在合理的波动范围内。

热性能测试

在室温下，对电路板进行热平衡测量，记录关键组件在 85 VAC 满载、50°C 环境温度下的温度。测试结果显示，各组件的温度都在安全范围内，保证了电源的可靠性。

波形测试

记录了正常运行时的漏极电压和电流波形、启动时的漏极电压和电流波形、输出电压启动波形、负载瞬态响应波形以及输出纹波波形等。这些波形可以帮助我们分析电源的工作状态和性能。

浪涌测试

对电源进行差模和共模浪涌测试，输入电压设置为 230 VAC，输出满载。测试结果表明，电源能够承受规定的浪涌冲击，符合相关标准要求。

过压保护测试

通过短路光耦 U3 LED 来模拟输出过压情况，测试不同配置下的过压保护功能。测试结果显示，过压保护功能正常，能够有效保护电源和负载。

EMI 测试

在满载情况下，对电源进行 EMI 测试。测试结果表明，电源满足 CISPR22B / EN55022B 传导 EMI 标准。

六、总结

这款基于 TNY290PG 芯片的 20W PC 待机电源设计在效率、性能和保护功能等方面都表现出色。它采用了先进的电路设计和变压器设计，能够满足各种应用场景的需求。通过详细的测试和验证，证明了该电源的可靠性和稳定性。对于电子工程师来说，这个设计方案具有很高的参考价值，你在实际设计中是否也会考虑采用类似的方案呢？欢迎在评论区分享你的想法。