TinySwitch-Ⅲ系列芯片电源电路设计原理

随着开关电源技术的不断发展和完善，小型轻量、高效率和低成本的开关电源得到了广泛的应用，以往开关电源的设计通常采用控制电路与功率管相分离的拓扑结构，但这种方案存在成本高、系统可靠性低等问题。美国功率集成公司(Power Integration Inc)开发的TinySwitch-Ⅲ系列新型智能高频开关电源集成芯片很好地解决了这些问题。

LED作为一种新型绿色光源，由于其具有耗电量低、寿命长、反应速度快、高效节能等优点，已被越来越广泛的应用。LED照明将成为继白炽灯、荧光灯、金属卤化物灯后的第四代新型照明技术。LED是一种新型的半导体器件，需要稳定的直流电源。但传统的驱动电源问题，造成LED照明光源寿命短的缺点，因此设计一种稳定可靠、转换效率高、寿命长的LED驱动电源对于LED照明至关重要。本文设计了基于TinySwitch-Ⅲ系列芯片的一种反激式低成本高效率驱动电源电路，介绍了设计原理和方法。该驱动电源能够输出恒定的电压和恒定的电流，有效地延长LED照明光源的寿命。

1 设计原理及芯片选择

1.1 基本原理

反激式隔离变换器最主要的特点是结构简单、成本低，因而在中小功率开关电源中是最为常用的变换器之一。其典型拓扑结构如图1所示。图1中，+Uin为整流后的输入电压;T为脉冲变压器，设计中还应有回路控制的偏置绕组;D1为输出回路的快恢复肖特基整流二极管;R1和C1为其阻容吸收电路;输出电路还包括由电感L0和两个电容C0组成的一个π型低通滤波电路;变压器初级有Rr、Cr和Dr组成的RCD漏感尖峰吸收电路;Q为控制脉冲变压器一次绕组导通和截止的反激式变换器所需的开关功率MOS管;Np为初级绕组匝数，Ns为次级绕组匝数;设计中变压器一次侧与二次侧的地信号采用安规电容隔离;“·”表示同名端。

图1 反激式变换器拓扑结构

在反激式变换器中，Q导通时以隔离变换器的磁芯储存能量，Q断开后将储存在T中能量释放至后级，经过整流二极管、滤波电路处理后，给负载RL提供所需要的优质电压和功率。 

1.2 TNY275PN芯片介绍

TinySwitch-ⅢI器件以限流模：式工作。开启时，振荡器在每个周期开始时开通功率MOSFET。电流上升到限流值或达到DC MAX的极限时关断MOS-FET。由于TinySwitch-Ⅲ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。因此，电源的设计包括计算实现最大输出功率所需的变压器初级电感。如果根据功率选择了正确的TinySwitch-Ⅲ，那么流过电感内的电流会在达到DC MAX极限前上升到限流值。

本设计采用TNY275PN电源芯片作为LED驱动电源的控制芯片。TNY275PN电源芯片在一个器件上集成了一个700 V高压MOSFET开关和一个电源控制器，与传统的PWM控制器不同，它使用简单的开/关控制方式来稳定输出电压。控制器包括一个振荡器、使能电路、限流状态调节器、5.8 V稳压器、旁路/多功能引脚(BP/M)欠压及过压电路、限流选择电路、过热保护、电流限流保护、前沿消隐电路。该芯片具有自动重启、自动调整开关周期导通时间及频率抖动等功能。

2 系统设计与实现

2.1 设计要求

AC输入电压范围U=195 V～265 V(通常在亚洲、欧洲和世界上大多数地区使用);

输出电压U。=20 V;输出电流I。=0.7 A;

输出功率P。=14 W;电路效率η≥80%。

2.2 电路实现

由于反激变换器电路简单且能高效提供直流输出，在中小功率、小体积的电源电路中特别常用，因此主电路采用RCD箝位电路的反激变换器拓扑结构，确定工作频率f=132 kHz。基于TinySwitch-Ⅲ的LED驱动电源电路图如图2。

图2 基于TinySwitch-Ⅲ的LED驱动电源电路