开关电源控制芯片设计电源模块

电源

开关电源由于其体积小、宽电压输入、效率高，在电力仪器仪表中应用非常广泛。本文主要介绍了使用TNY280单片开关电源芯片，设计功率为12W，两路独立输出电源模块，严格控制输出电压纹波，作为一个通用模块使用在不同的产品上。

随着电力仪表测量精度的不断提高以及体积越来越小，传统的线性电源虽然设计简单方便，使用的器件较少，纹波能满足仪表设计的要求，但是要求输出功能变大时，变压器的体积是很多工程师棘手的问题，而且成本也随之增加。开关电源体积小、宽输入电压，而且使用合适的元器件，合理的PCB布线，同样也能输出较好的纹波，价格上也可以接近线性电源，甚至更低。

本文主要介绍了使用PI公司的tinySwitch-Ⅲ（TNY280）作为开关电源的控制芯片设计电源模块，两路输出，功率为12W。同样，该系列单片控制芯片（TNY274-280）管脚统一，可以灵活的进行替换，以达到最好的性价比。

电路原理

TNY280内部集成了一个700V的功率MOSFET、振荡器（平均振荡频率为132kHz）、高压开关电流源、流限状态调节器、5.85V稳压器、旁路/多功能引脚欠压及过压电路、电流限流选择电路、过热保护、电流限流电路，前沿消隐电路。此外，还增加了欠压检测、自动重启动、自动调整的开关周期导通时间延长及频率抖动功能。图1显示了具备以上重要特性的功能结构图。采用开/关控制方式，提供一个灵活的设计方案，并且实现更低的系统成本及更大的输出功率范围。

图1 TinySwitch-Ⅲ内部功能结构图

整个电路的原理图见图2，开关电源芯片工作在自偏置状态，不需要偏置绕组，简化了变压器的设计，同时也减少了偏置元件的使用。+5V_P和PGND为隔离电源，供通信和开入开出量的使用，+5V和GND为主电源，用于驱动控制芯片、显示电路以及继电器。

图2 电路原理图

其中，C1、L1和C2构成前级输入滤波电路，经过整流桥整流，C11一方面起滤波作用，还和高频变压器初级电感量共同作用，影响着次级功率输出，要正确估算输入滤波电容（C11）的容量，在230VAC输入时，比例系数为1μF/W，即每瓦输出功率对应于1μF的容量，依次类推。在100VDC或85 265VAC输入时为3μF/W。

VD1和VD2组成钳位电路，用于保护TNY280内部的MOSFET。C12为BP/M的旁路电容，根据所使用C12电容的数值选择电流限流值：使用数值为0.1μF的电容会工作在标准的电流限流值上；使用数值为1μF的电容会将电流限流值降低到相邻更小型号的标准电流限流值；使用数值为10μF的电容会将电流限流值增加到相邻更大型号的标准电流限流值。

R1、R2、R3、R4、N1、U4和C15组成了反馈电路，配TL431的多路输出精密光耦反馈电路，其特点是：利用TL431型可调式精密并联稳压器构成次级误差电压放大器，再通过光耦合器对主输出进行精确地调整。两个次级输出电路结构基本相同，滤波电路都由肖特基二极管和滤波电容组成。整流二极管选用肖特基二极管可降低损耗并消除输出电压的纹波；不同的是隔离电源采用了三端稳压源7805直接稳压到5V，主电源额外使用了电感和电容，在通过反馈使输出电压精确到5V。

纹波处理

评价一个电源的质量，其中有一点就是输出电压的纹波，在整个调试过程中，一直都使用Agilent公司的54622A数字示波器进行观察，带宽为100MHz，采用频率为200Msa/s。在纹波的处理过程中，通过不断的计算，布板和调试，总结了以下几点来降低输出电源纹波：

次级输出端的整流二极管要尽量的靠近变压器引脚，同时，连接的覆铜线要短而粗，可以的话，可以选择铺铜连接。
适当调节次级输出端的滤波电容（C3、C5、C13和C16）和电感（L2），平滑电压纹波；高频滤波电容（C6、C17）尽量靠近输出端电压的引脚。
采用分块铺铜，使用双面板时，顶层铺电源正极，底层铺电源地，来减小分布电容。
高频变压器的设计、高频变压器的制作工艺以及元器件的选择，对电压的纹波也有至关重要的影响，都是每个工程师必须考虑的因数。

图3 主电源输出电压纹波（<50mV）

目前，该电源作为多功能表的一部分，同时供模拟信号和数字信号使用。特别是模拟小信号，对纹波要求特别高。使用该电源模块后，经过多次的数据测试，电压、电流测量精度可以达到千分之五，功率测量精度可以达到百分之一，满足了设计的要求，今后该电源模块还将使用在其他系列的电力仪表上。

总结

本文针对电力仪表电源模块的要求：电压纹波小、一定的带载能力、体积小，同时在价格上又不能太高，使用PI公司的TNY280开关电源芯片进行设计，并经过多次试验和数据的测试，其中的一些设计方法和思路对其他仪表电源模块的设计具有一定的参考价值。

宁兴琴 · 2019-5-24 08:40:34

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潘务单 · 2019-5-24 08:50:00

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杨平 · 2019-5-24 08:56:55

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