Импульсный источник питания 12W на микросхеме TNY278P (TinySwitch-III).

Импульсный источник питания 12W на микросхеме TNY278P (TinySwitch-III).

 

Краткая спецификация:

Вход: 85-265 VAC

Выход: 12V, 1A.

Автор - департамент по применению компании Power Integrations.

Дата создания - 7 февраля 2006г.

 

 

Преимущества этого дизайна:

1) Система энергосбережения EcoSmart - удовлетворяет стандартам энергопотребления: включая CECP (Китай), CEC, EPA, AGO, European Comission.

• Энергопотребление на холостом ходу 140mW на 265VAC (не требуется дополнительная обмотка трансформатора).
• КПД в рабочем режиме >75% (превышает стандартные требования в 71%).

2) Номинал конденсатора на пине BP/M определяет ограничение тока через MOSFET транзистор, что дает возможность для более гибкого проектирования.

3) Параметр жесткого допуска I2f (-10%, +12%) снижает стоимость системы:

• Повышает передачу мощности транзистором и трансформатором.
• Снижает уровень перегрузки, что снижает стоимость выходных диодов и конденсаторов.

4) Интегрированные функции семейства TinySwitch-III:

• Точность (+/- 5%), автоматическое восстановление работы, интеллектуальная тепловая защита поддерживает уровень температуры печатного узла ниже опасного порога.
• Функция авто-ресарт защищает источник питания от коротного замыкания на выходе и разрыва цепи обратной связи.
• Защитное расстояние >3.2mm повышают работоспособность источника питания в помещениях с повышенной влажностью и с повышенным запылением.

5) Соответствует стандартам EN550022 b CISPR-22 класс B.

6) Соответствует стандарту IEC61000-4-5 класс 3.

 

Введение:

Данный документ описывает источник питания с универсальным входом, 12V, 1А, построенный по обратноходовой топологии на базе микросхемы TNY278P (семейство TinySwitch-III, Power Integrations). Документ содержит полную спецификацию на источник питания, его схему, перечень элементов, параметры и конструкцию трансформатора, а также замеры, произведенные во время работы опытного образца.

Внешний вид платы:

Рис.1 Внешний вид печатного узла (сверху).

 

Рис. 2 Внешний вид печатного узла (снизу).

Спецификация на источник питания:

Параметр	Обозначение	Мин.	Норма	Макс.	Ед. Изм.
Вход: Напряжение Частота Потребление на Х/Х (без дополнительной обмотки). Потребление на Х/Х (с дополнительной обмоткой).	Vin fline	85 47	50/60	265 64 0.15 0.05	VAC Hz W W
Выход Выходное напряжение Выходная пульсация Выходной ток. Полная выходная мощность Продолжительная выходная мощность	Vout Vripple Iout   Pout	11   1   12	12	13 100	V mV A   W
КПД При полной нагрузке Среднее требуемое КПД при нагрузке 25%, 50%, 75% и 100% от Pout	n ncec	75 71.3	-	-	% %
Уровень ЭМИ Безопасность	Удовлетворяет требованиям: CISPR22B/EN55022B, IEC950, UL1950 класс 2.
Рабочий температурный диапазон	Tamb	0	_	50	C

Схема источника питания:

Рис. 3 Схема источника питания.

Описание работы схемы:

1) Входной выпрямитель и фильтр.

Переменное напряжение со входа выпрямляется диодами D1-D4. Конденсаторы С1 и С2 фильтруют выпрямленное напряжеие. Дроссель L1 вместе с конденсаторами С1 и С2 формируют П-образный фильтр для подавления дифференциальной помехи со входа.

2) Работа микросхемы TNY278P.

Микросхема TNY278P (U1) включает в себя генератор, контроллер, цепи запуска и защиты, а также мощный MOSFET транзистор.

Один контакт первичной обмотки силового трансформатора T1 подключен к положительному контакту конденсатора С2, когда как другой контакт этой обмотки подключен на пин DRAIN микросхемы U1. При начале рабочего цикла - контроллер отпирает MOSFET транзистор, через обмотку начинает расти ток, запасая энергию в сердечнике трансформатора. Когда ток достигает порогового значения, контроллер запирает MOSFET. Благодаря фазировке обмоток и полярности выпрямительного диода, запасенная в сердечнике энергия через выходной диод переходит в выходной конденсатор. При выключении MOSFET транзистора индукция рассеяния трансформатора провоцирует бросок тока через транзистор. Амплитуда этого броска лимитируется цепью RCD, состоящей из D5, C4 и R2. Резистор R2 ограничивает обратный ток через D5 в момент отпирания MOSFET транзистора.Это позволяет использовать в качестве диода D5 дешевый низкоскоростной диод.

Использую релейный метод управления (вкл/выкл) - U1 пропускае рабочие циклы для управления выходным напряжением на основе сигнала обратной связи на пин EN/UV. Перед тем, как запустить очередной рабочий цикл - микросхема проверяет сигнал на пине EN/UV и принимает решение будет сделан рабочий цикл или нет. Если ток через пин EN/UV меньше 115 uA, следующий рабочий цикл начинается и заказнчивается, когда ток через MOSFET достигает порога ограничения тока. Порог ограничения тока устанавливает контроллер, взависимости от мощности, потребляемой нагрузкой. При снижении потребления тока нагрузкой, соответственно падает порог ограничения.Это гарантирует то, что в любом случае при любой нагрузке рабочая частота будет находиться выше звукового диапазона. Кроме этого, если трансформатор при изготовлении пропитывается лаком, то звуковой шум практически исчезает.

3) Выходное выпрямление и фильтрация.

Диод D7 выпрямляет выход трансформатора T1. Пульсации выходного напряжения сведены к минимуму благодаря использованию Low ESR конденсатора С10. Высокочастотные шумы подавляются фильтром L2 C11.

4) Цепь обратной связи.

Уровень выходного напяжения определяется напряжением на диоде Зенера VR3, R6 и светодиодом оптопары U2. Величина резистора R4 рассчитывается исходя из условий тока через VR3 на уровне 0,5 mA. Резистор R6 ограничивает максимальный ток во время изменения нагрузки. Номиналы R4 и R6 могут быть незначительно изменены для точной подстройки порога выходного напряжения. Когда выходное напряжение превышает выходной порог, светодиод U2 начинает светить, При этом на первичной стороне, фототранзистор U2 открывается и замыкает ток EN/UV на землю. Как говорилось ранее, перед каждым циклом микросхема проверяет уровень тока EN/UV. Если он больше 115 uA - соответственно следующий рабочий цикл пропускается. При таком варьировании рабочих циклов величина выходного наряжения поддерживается на требуемом уровне с хорошей точностью. Если требуется большая точность в установке выходного напряжения, вместо VR1 можно использовать микросхему TL431.

5) Помехоподавление.

Входной Пи фильтр - С1, L1 и C2 снижает уровень дифференциальной помехи. Специальная технология намотки трансформатора (E-Shield) используется, чтобы подавить синфазную помеху. Резистор R2 и конденсатор С4 подавляют высокочастотный "звон" в момент, когда силовой транзистор запирается. Если рассмотреть все вышеописанное и прибавить к этому функцию помехоподавления frequency jitter, то мы получим великолепный характеристики ЭМИ.

6) Выбор уровня ограничения тока.

Применив микросхему семейства TinySwitch-III, мы имеем возможность устанавливать необходимый нам уровень тока через силовой транзистор микросхемы U1. Это делается варьированием номинала конденсатора на пине BP/M (для более полной информации необходимо ознакомиться с документом Datasheet на конкретную микросхему).

- При установке конденсатора номиналом 0.1uF - выбирается стандартный уровень ограничения тока микросхемы. Применяется для обычных мощностей в закрытом адаптере.

- При установке конденсатора номиналом 1uF - уровень ограничения тока понижается, что в свою очередь понижает потери и повышает КПД.

- При установке конденсатора номиналом 10uF - уровень ограничения тока повышается, что увеличивает мощностные характеристики микросхемы (Рекомендуется для применения при открытом корпусном исполнении, либо в закрытом, но если нагрузка источника краткосрочна).

Пример печатной платы источника питания:

Рис.4 Пример PCB печатной платы.

 

Перечень элементов.

Номер	Кол-во	Обозначение	Номинал	Описание	part number	Производитель
1	1	C1	6.8 uF	6.8 µF, 400 V, Electrolytic, (10 x 16)	EKXG401ELL6R8MJ16S	United Chemi-Con
2	1	C2	22 uF	22 µF, 400 V, Electrolytic, Low ESR, 901 m., (16 x 20)	EKMX401ELL220ML20S	United Chemi-Con
3	1	C4	10 nF	10 nF, 1 kV, Disc Ceramic	5HKMS10	Vishay
4	1	C5	2.2 nF	2.2 nF, Ceramic, Y1	440LD22	Vishay
5	1	C7	100 nF	100 nF, 50 V, Ceramic, X7R	B37987F5104K000 / ECUS1H104KBB	Epcos/ Panasonic
6	2	C6,C8*	1 uF	1 µF, 50 V, Electrolytic, Gen. Purpose, (5 x 11)	EKMG500ELL1R0ME11D	United Chemi-Con
7	1	C9*	10 uF	10 µF, 50 V, Electrolytic, Gen. Purpose, (5 x 11)	EKMG500ELL100ME11D	United Chemi-Con
8	1	C10	1000 uF	1000 µF, 25 V, Electrolytic, Very Low ESR, 21 m., (12.5 x 20)	EKZE250ELL102MK20S	United Chemi-Con
9	1	C11	100 uF	100 µF, 25 V, Electrolytic, Very Low ESR, 130 m., (6.3 x 11)	EKZE250ELL101MF11D	United Chemi-Con
10	4	D1 D2 D3 D4	1N4007	1000 V, 1 A, Rectifier, DO-41	1N4007	Vishay
11	1	D5	1N4007GP	1000 V, 1 A, Rectifier, Glass Passivated, 2 us, DO-41	1N4007GP	Vishay
12	1	D6	UF4003	200 V, 1 A, Ultrafast Recovery, 50 ns, DO-41	UF4003	Vishay
13	1	D7	BYV28-200	200 V, 3.5 A, Ultrafast Recovery, 25 ns, SOD64	BYV28-200	Vishay
14	1	F1	3.15 A	3.15 A, 250V,Fast, TR5	3701315041	Wickman
15	2	J1 J4	-	Test Point, Black, Thru-hole mount	5011	Keystone
16	1	J2	-	Test Point, White, Thru-hole mount	5012	Keystone
17	1	J3	-	Test Point, Red, Thru-hole mount	5010	Keystone
18	1	JP1	-	Wire Jumper, Insulated, 24 AWG	KSW24W-0100	OK Indust.
19	1	L1	1 mH	1mH, 350 mA	HTB2-102-281	CUI
20	1	L2	Ferrite Bead	3.5 mm x 7.6 mm, 75 . at 25 MHz, 22 AWG hole, Ferrite Bead	2743004112	Fair-Rite
21	1	R1	1 KOhm	1 k., 5%, 1/4 W, Carbon Film	CFR-25JB-1K0	Yageo
22	1	R2	100 Ohm	100 ., 5%, 1/4 W, Carbon Film	CFR-25JB-100R	Yageo
23	1	R3	47 Ohm	47 ., 5%, 1/8 W, Carbon Film	CFR-12JB-47R	Yageo
24	1	R4	2 KOhm	2 k., 5%, 1/8 W, Carbon Film	CFR-12JB-2K0	Yageo
25	1	R5*	3.6 MOhm	3.6 M., 5%, 1/2 W, Carbon Film	CFR-50JB-3M6	Yageo
26	1	R6	390 Ohm	390 ., 5%, 1/8 W, Carbon Film	CFR-12JB-390R	Yageo
27	1	R7	20 Ohm	20 ., 5%, 1/4 W, Carbon Film	CFR-25JB-20R	Yageo
28	1	R8*	21 KOhm	21 k., 1%, 1/4 W, Metal Film	MFR-25FBF-21K0	Yageo
29	1	RV1	275 VAC	275 V, 45 J, 10 mm, Radial	V275LA10	Littlefuse
30	1	T1	EE25 Core	Bobbin, EE25, Vertical, 10 pins Complete Assembly	YW-360-02B SNX-1380 LSPA20544 CWS-T1-EP91 SIL6038	Yih-Hwa Enterprises Santronics LiShin CWS Hical
31	1	U1	TNY278P	TinySwitch-III, TNY278P, DIP-8C	TNY278P	Power Integrations
32	1	U2	PC817A	Optocoupler, 35 V, CTR 80-160%, 4-DIP	ISP817A, PC817X1	Isocom, Sharp
33	1	VR1	P6KE150A	150 V, 5 W, 5%, TVS, DO204AC (DO-15)	P6KE150A	Vishay
34	1	VR2	1N5255B	28 V, 500 mW, 5%, DO-35	1N5255B	Microsemi
35	1	VR3	BZX79-B11	11 V, 500 mW, 2%, DO-35	BZX79-B11	Vishay

Трансформатор.

1) Схема электрическая.

Рис.5 Электрическая схема трансформатора.

2) Электрическая спецификация.

Электрическая прочность	1 с., 60Hz, с пинов 1-5 на пины 6-10.	3000 VAC
Индуктивность первичной обмотки	Пины 1-3, все обмотки разомкнуты, на 100 KHz, 0.4VRMS.	1050uH, +/- 10%
Резонансная частота	Пины 1-3, все обмотки разомкнуты.	500 KHz (Мин.)
Индукция рассеяния первичной обмотки	Пины 1-3, пины 6-8 закорочены, на 100 KHz, 0.4VRMS.	50 uH (Макс.)

3) Схема построения трансформатора.

Рис. 6 Схема построения трансформатора.

Диаграммы работы источника питания.

1) КПД

Рис.7 Зависимость КПД от выходного тока, комнатная температура, 60 Hz.

Для справки - с 1 июля 2006 года в США все выпускаемые и продаваемые источники питания должны соответствовать стандартам, установленным организацией СЕС (California Energy Comission) - Калифорнийской комиссией по энергетике, которая определяет тенденции развития энергетики США.

По требованиям СЕС - Среднее КПД источника питания по 4м замерам (25%,50%,75%,100% от максимальной мощности) должен быть равен или выше 71.3%.

По проделанным замерам ИП на микросхеме TNY278P:

Процент от полной нагрузки	КПД (%)
	115 VAC	230 VAC
25	75	74.5
50	78.5	78.8
75	78.8	78.5
100	78	79.1
Среднее значение КПД	77,6	77,7
Требования СЕС	71,3

Как мы можем видеть, КПД источника питания на базе микросхемs TNY278P (Power Integrations) - полностью удовлетворяет требованиям СЕС и следовательно имеет право на производство и продажу на рынке США.

2) Потребление источника питания на холостом ходу (Резистор R8 - не установлен).

Рис. 8 Зависимость потребляемой мощности на холостом ходу от входного напряжения, комнатная температура, 60Hz.

3) Потребление источника питания на холостом ходу (Резистор R8 - установлен).

Рис.9 Зависимость потребляемой мощности на холостом ходу от входного напряжения, комнатная температура, 60Hz.

4) Зависимость выходной мощности от входной мощности в 1,2,3 Вт.

Рис.10 Зависимость выходной мощности от входного напряжения (при Pin=1,2,3W).

5) Нестабильность выходного напряжения.

Рис. 11 Нестабильность выходного напряжения, комнатная температура.

6) Тепловые характеристики.

Температура замерялась с помощью Т-образных термопар. Термопары были подсоединены на пин SOURCE миросхемы U1 и на катод выходного выпрямительного диода. Кроме этого другие 2 термопары были приклеены к корпусу выходного конденсатора и на поверхность обмоток трансформатора T1.

Источник питания был помещен в короб для предотвращения движения воздуха. Короб был помещен в термошкаф. Температура внутри шкафа установлена в 50С. Замеры были проведены после 1 часа работы источника питания.

Температура (С).
Элемент	85 VAC	265 VAC
Окружающая среда	50	50
TNY278P (U1)	96,1	92,8
Трансформатор (T1)	77,8	80
Выходной выпрямитель (D7)	101	100
Выходной конденсатор (С10)	68,2	66,8

Рис.12 Тепловая карта работы ИИП.

Автор документа - Департамент по применению Power Integrations.

Более подробную информацию вы можете узнать, прочитав оригинал.

Перевел и подготовил - Бандура Геннадий (Bandura (at) macrogroup.ru).

Менеджер по направлению Power Integrations

Компания Макро Групп (Эксклюзивный дистрибьютор Power Integrations на территории России и СНГ).

www.macrogroup.com