超宽输入范围的工业控制电源实例分享

由TinySwitch-Ⅲ系列产品TNY280P构成3W超宽输入范围的工业控制电源的电路如图13-4所示。该电源的显著特点是交流电压输入范围极宽（18～265V），输出电压为+5V，输出电流为600mA。电源效率可达65%，当交流输入电压为230V时的空载功耗低于200mW。该电源的应用领域包括工业控制所用的辅助电源。

TinySwitch-Ⅲ系列产品能够正常启动和工作的最低漏极电压为50V。通常情况下，当交流输入电压u＞85V时，芯片可提供自供偏压。但是当18V＜u＜75V时，芯片就无法提供足够的偏压以维持正常工作，这就大大限制了TinySwitch-Ⅲ系列产品在低压情况下的应用。为解决上述难题，使TinySwitch-Ⅲ在超低交流输入电压下也能正常工作，需要从TNY280P外部增加一个悬浮式高压恒流源，以便在低压时给旁路端BP/M继续供电。悬浮式恒流源的电路如图13-5a所示。它包括7.5V稳压管VD_Z1（1N5236B）、PNP型晶体管VT₁（ZTX558）、NPN型晶体管VT₂（ZTX458）、二极管VD₂和VD₄、电阻R₄～R₆。其中，VD₂为半波整流管；VD₄为隔离二极管，可将恒流源与其他电路隔离开。

ZTX558和ZTX458均为英国Zetex半导体公司（Zetex Semiconductors）生产的高反压晶体管。其中，ZTX558属于PNP型高反压晶体管，主要参数为当基极开路时集电极-发射极的反向击穿电压U_（BR）CEO=-400V，当发射极开路时集电极–基极的反向击穿电压（亦即集电结反向击穿电压）U_（BR）CBO=-400V，最大集电极电流I_CM=-200mA，共发射极电流放大系数h_FE≤300，最大功耗P_CM=1W。ZTX458则属于NPN型高反压晶体管，主要参数为U_（BR）CEO=400V，U_（BR）CBO=400V，最大集电极电流I_CM=300mA，h_FE≤300，P_CM=1W。

图13-4 由TNY280P构成3W超宽输入范围的工业控制电源的电路

图13-5 悬浮式恒流源的电路

a）电路 b）偏置电压与总偏置电流的关系曲线

18～265V的交流电压经过VD₂半波整流后，得到呈脉动直流的偏置电压U_B，加至悬浮式恒流源的输入端。该恒流源能在整个输入电压范围内向TNY280P的BP/M端大约提供600μA的恒定电流。

首先假定该电路只用晶体管VT₂，则可认为由稳压管VD_Z1给VT₂的基极提供一个参考电位U_B2。由于VT₂的发射结电压（U_BE2）与R₅上的压降（U_R5）之和就等于稳压管的稳定电压值U_Z，而当环境温度不变时U_BE2近似为恒定电压，因此U_R5也为一个固定电压，利用R₅即可设定恒流值。然而实际上交流输入电压的范围很宽，由稳压管提供的偏置电流的变化范围很大，这会导致所设定的恒流值发生偏移。要克服上述难题，需要由PNP型晶体管VT₁和R₄再提供一个恒定的偏置电流。令VT₁的发射结电压为U_BE1，通过R₄所设定的恒定偏置电流I_B1=U_BE1/R4。显然，IB1不受输入电压变化的影响。

对该电路进行仿真，所获得的偏置电压（U_B）与总偏置电流（I_B）的关系曲线如图13_-5b所示。由图可见，VT₂在较低输入电压下提供恒定偏置电流I_B2，而VT₁在较高输入电压下提供恒定偏置电流I_B1。具体可分为以下3种情况：(www.xing528.com)

（1）当偏置电压U_B≈50V（即整流滤波后的直流输入电压U_I≈50V）时，由VT₂给TNY280P提供恒定的偏置电流I_B2，此时总偏置电流I_B=I_B2。

（2）当偏置电压U_B＞50V时，流过VT₂的电流将线性地减小，而流过VT₁的电流线性地增大，此时由VT₁、VT₂共同给TNY280P提供恒定的偏置电流，总偏置电流I_B=I_B1+I_B2，其中的I_B2＞I_B1。

（3）当偏置电压达到最大值（U_B=375V）时，主要由VT₁提供恒定的偏置电流，I_B=I_B1+I_B2，但其中的I_B1＞I_B2。

该电路所提供的总偏置电流I_B≈600_μA。

18～265V交流输入电压经过由VD₁、C₁和C₂组成的半波整流滤波电路，获得直流输入电压U_I，为反激式开关电源提供高压直流。C₁、C₂还与电感器L构成π形滤波器，用于降低串模电磁干扰。在高频变压器的一次绕组与二次绕组之间使用了Y电容C₇，可滤除共模干扰。漏极钳位电路由VD₃（1N4007GP）、R₁、R₂和C₃组成。整流管VD₅采用BYV27-200型2A/200V的超快恢复二极管，其反向恢复时间t_rr＜25ns。输出电压由稳压管VD_Z2、光耦合器PC817A中的LED压降之和来设定。VD_Z2采用4.3V稳压管1N5229B，LED的正向压降近似为1V，所设定的空载输出电压为5.3V。

TNY280P采用开/关控制方式，它经过光耦合器来接收二次绕组的反馈电压，再通过使能或禁止内部MOSFET的开/关，使输出电压保持稳定。一旦从EN/UV端流出的电流超过关断阈值电流（115μA），将跳过开关周期；当EN/UV端流出的电流小于关断阈值电流时，开关周期将重新使能。

设计要点：

（1）高频变压器采用EF20型铁氧体磁心，一次绕组用ϕ0.33mm漆包线绕32匝。二次绕组用ϕ0.40mm漆包线绕8匝。一次绕组的电感量L_P=278μH（允许有±12%的误差），最大漏感量L_P0=12μH。一次绕组的最低谐振频率为1MHz。

（2）由于该电源的输入电压范围非常宽，因此一次绕组的电感量L_P必须足够小（实际选278μH），以便使TNY280P工作在连续模式的边缘处。但是当L_P较小时会导致电流上升率di/dt增大，必要时可选用TinySwitch-Ⅲ系列产品中输出功率较大的芯片。

（3）钳位电路中R₁的阻值不宜过小，否则会使空载功耗增大。