基于TinySwitch-III（TNY278PN）的12W电源设计解析

一、引言

在电子设备的设计中，电源模块是至关重要的一环。今天我们要探讨的是一款基于TinySwitch - III家族的TNY278PN芯片设计的12V、1A通用输入反激式电源。该电源设计具有诸多亮点，不仅满足各种能效标准，还具备出色的性能和灵活的配置选项。

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二、电源规格

输入参数

• 输入电压范围为85 - 265VAC，频率为47 - 64Hz。在230VAC无负载输入功率方面，无偏置绕组支持时为0.15W，有偏置绕组支持时可低至0.05W。

  输出参数

• 输出电压为12V，输出电流为1A，输出纹波电压不超过100mV，连续输出功率为12W，过压关断电压为15 - 18V。

  效率与其他特性

• 要求在25%、50%、75%和100%负载下的平均效率符合相关标准，满载效率达到75%，超过标准要求的71.3%。同时，该电源满足CISPR22B/EN55022B传导EMI标准，设计满足IEC950、UL1950 Class II安全要求，能承受1.2/50μs的1kV差模浪涌和2kV共模浪涌，环境温度范围为0 - 50°C。

三、电路设计

输入整流与滤波

• 由二极管D1 - D4对交流输入进行整流，电容C1和C2对整流后的直流进行滤波。电感L1、C1和C2构成π型滤波器，有效衰减差模传导EMI。

  TNY278PN芯片工作原理

• TNY278PN芯片集成了振荡器、开关控制器、启动和保护电路以及功率MOSFET。在开关周期开始时，控制器开启MOSFET，电流在变压器初级绕组中上升，存储能量。当电流达到极限阈值时，控制器关闭MOSFET，存储的能量通过变压器次级绕组传递到输出电容。漏感产生的电压尖峰由RCD钳位网络（D5、C4和R2）限制，电阻R1和VR1在输出过载时进行硬钳位。
• 芯片采用ON/OFF控制，根据EN/UV引脚的反馈跳过开关周期来调节输出电压。为避免群脉冲，EN引脚阈值电流在115μA和60μA之间调制。控制器根据负载需求将MOSFET电流限制阈值调整为四个级别，确保有效开关频率高于可听范围，减少变压器的可听噪声。

  输出整流与滤波

• 二极管D7对变压器T1的输出进行整流，采用低ESR电容C10来最小化输出电压纹波，后置滤波器（铁氧体磁珠L2和电容C11）进一步衰减高频开关噪声。

  反馈与输出电压调节

• 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上的电压决定。当输出电压超过设定点时，U2中的LED正向偏置，光晶体管导通，从U1的EN/UV引脚吸取电流，控制器根据该引脚电流决定是否启用开关周期，从而将输出电压保持在调节设定点附近。为提高输出电压调节精度，可使用如TL431等参考IC代替VR3。

  输出过压关断

• TinySwitch - III系列IC可通过BP/M引脚和变压器的偏置绕组检测输出过压情况并锁存关闭。当输出电压异常升高时，偏置绕组电压超过阈值，电流流入BP/M引脚，触发锁存关断电路。要重置锁存关断，需移除交流输入，使输入电容放电，BP/M引脚电压降至2V以下。

  EMI设计

• 输入π型滤波器（C1、L1和C2）衰减传导差模EMI噪声，变压器T1采用屏蔽技术（E - Shield™）减少共模EMI位移电流，电阻R2和电容C4抑制MOSFET关断时的高频振铃，结合芯片的频率抖动功能，实现出色的传导和辐射EMI性能。

  峰值初级电流限制选择

• 通过在BP/M引脚安装不同电容值可选择U1的电流限制。安装0.1μF电容选择标准电流限制，适用于封闭适配器应用；安装1μF电容降低MOSFET电流限制，提高效率但降低最大功率能力；安装10μF电容提高MOSFET电流限制，扩展IC的功率能力。

  UV锁定

• EP91电路板可安装欠压（UV）锁定检测电阻R5。安装后，启动时MOSFET开关在EN/UV引脚电流超过25μA之前被禁用，设计者可通过选择R5的值设定MOSFET开关启用的输入电压。UV检测功能还可防止输出调节丢失后电源输出出现毛刺。

四、变压器设计

电气规格

• 变压器电气强度要求在1 - 5引脚到6 - 10引脚之间承受3000VAC、1秒、60Hz的测试。初级电感在100kHz、0.4V RMS下为1050μH，±10%；谐振频率最小为500kHz；初级漏电感在100kHz、0.4V RMS下最大为50μH。

  材料与结构

• 采用PC40EE25 - Z磁芯，EE25垂直10引脚骨架。绕组使用#30AWG和#26AWG磁线以及#26AWG三重绝缘线，还使用了多种3M聚酯胶带进行绝缘。变压器通过浸漆处理，但不进行真空浸渍。

五、性能测试

效率测试

• TinySwitch - III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，即使在低于10%额定输出功率的负载下，效率仍保持在65%以上，满足各种能效标准。

  有源模式CEC测量

• 在加利福尼亚州，该电源设计在115VAC和230VAC下的平均效率轻松超过CEC要求的71.3%。

  无负载输入功率

• 无偏置绕组支持时，无负载输入功率随输入电压变化；有偏置绕组支持时，无负载输入功率显著降低。

  可用待机输出功率

• 展示了在不同输入功率消耗水平下的可用输出功率，体现了ON/OFF控制在轻负载下保持高效率的优势，简化了满足待机功率要求的产品设计。

  电压调节

• 在不同输入电压和负载下，输出电压保持稳定，负载和线路调节性能良好。

  热性能

• 在50°C环境温度下，对关键组件进行温度测量，结果显示所有组件的温度上升在可接受范围内。

  波形测试

• 包括漏极电压和电流、输出电压启动特性、负载瞬态响应、输出纹波测量以及过压关断等波形测试，验证了电源在不同工况下的性能。

  线路浪涌测试

• 电源通过了IEC61000 - 4 - 5标准的差模和共模浪涌测试。

  传导EMI测试

• 在115VAC和230VAC满载下进行传导发射测试，结果显示有超过10dB的裕量，满足EN55022B/CISPR22B标准。

  可听噪声测试

• 开放式框架单元在声学隔离和阻尼室中进行测试，可听噪声在可接受范围内，封闭外壳可进一步降低噪声水平。

六、灵活配置与验证

电流限制操作

• 通过更换BP/M引脚的电容，可实现TNY278PN的扩展和降低电流限制操作。增加电容可提高输出功率，减少电容可提高效率。

  不同芯片操作

• TNY277PN在ILIMIT + 1模式下、TNY279PN在ILIMIT - 1模式下可在RD - 91参考板上工作，为设计工程师提供了更多选择。

  OVP操作验证

• 通过短路光耦LED触发过压情况，验证OVP功能，重置OVP锁存需移除交流输入。

七、总结

这款基于TinySwitch - III（TNY278PN）的12W电源设计具有高效、灵活、可靠等优点。其满足多种能效标准，通过合理的电路设计和变压器设计，实现了出色的性能表现。同时，灵活的配置选项为工程师在不同应用场景下提供了更多的设计可能性。在实际设计中，我们可以根据具体需求对电源进行调整和优化，以满足不同产品的要求。你在电源设计中遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验。