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[摘要]单片开关电源具有高集成度、高性价比、最简外围电路等特点，现已成为开发中、小功率开关电源、精密开关电源等模块的优选集成电路。目前，单片开关电源正朝着短、小、轻、薄、节能、安全的方向发展。阐述T0PSwitch系列和TinySwitch系列新型单片开关电源在节能、降耗方面的新技术，并介绍几种典型应用及电路设计要点。
[关键词]单片开关电源 待机 远程关断 跳过周期
中图分类号：TN7 文献标识码：A 文章编号：1671－7597(2008)1020032－01
单片开关电源自20世纪90年代中期问世以来便显示出强大的生命力，它作为一项颇具发展前景和影响力的新产品，引起了国内外电源界的普遍关注。1994年，美国电源集成(P1)公司在世界上率先研制成功单片开关电源TOPSwitch系列，并相继推出TOPSwithch_II系列、TOPSwitchFX、TOPSwitchGX系列以及高效、小功率、低价位的TinySwitch系列、TinySwitchII系列微型单片开关电源。上述产品采用了先进的节能技术和制作工艺，因此被誉为“绿色芯片”(Green Chip)，可广泛应用于各种通用及专用开关电源、待机电源、便携式电子装置及家用电器中微控制器（MCU）的电源模块中。
一、TOPSwitch系列节能技术
TOPSwitch－FX系列五端单片开关电源集成电路采用了“跳过周期”等新技术。如果开关电源的负载非常轻，以至于开关电源在最小占空比(Dmin=1.5%)之下所提供的输出功率，仍然超过负载上的功耗，TOPSwitch-FX就采用跳过周期的工作方式进一步降低输出功率，来提高轻载时电压的稳定性。此方式可等效为先将占空比固定在1.5%或更低上，然后用PFM方式调节轻载时的UO值。根据负载变化情况，开关电源能在正常工作和跳过周期方式之间自动转换，而无须其他控制。
对于TOPSwitchGX而言，开关频率及占空比能随输出端负载的降低而自动减小，其减小量与控制端电流成反比。当负载很轻时，开关频率也减少到最小值，以提高开关电源在轻载下的效率。在全频模式下，开关频率的正常值(即典型值)为132 kHz，频率最小值为30kHz；在半频模式下开关频率正常值为66 kHz，此时频率最小值就降至15 kHz。
二、TinySwitch系列典型应用
（一）TinySwitch系列节能技术
频率抖动技术PI的TinySwitch-II系列属于第二代增强型隔离式微型单片开关电源集成电路，适合制作23W以下的低成本微型化开关电源。该芯片采用了“频率抖动”技术，以降低由开关频率高次谐波所造成的电磁干扰。将开关频率限制在很窄的波段内抖动，由于开关频率是在132kHz附近不断变化的，它与132kHz固定频率的高次谐波干扰之间没有相关性，因此利用频率抖动信号能够降低传导噪声，其开关频率的抖动范围是128kHz~136kHz，抖动量为±4kHz。利用此功能可显著减小噪声干扰，并且噪声谐波次数愈高，抑制作用愈明显。例如对5次谐波噪声平均值的衰减量可达10dB以上，该系列单片开关电源为办公自动化设备、消费类及工业电子产品提供了一套简单而经济的电源系统设计方案。
（二）15W的PC机待机电源电路
采用TinySwitch系列产品可设计一种输出功率为15W的PC机待机电源电路，如图1所示。
该电源可提供两路输出：主输出为＋5V、3A；辅助输出则为＋12V、20mA，总输出功率为15.24W，电源效率高于78％。电路中采用两片集成电路：TNY267P型微型单片开关电源（IC1),SFH6152型线性光耦合器（IC2）。直流输入电压为140V～375V，这对应于交流输入电压为230V±15％或者110／115V倍压输入的情况。利用TNY267P的欠压检测、自动重启动和高频开关特性，允许使用体积较小、价格较低的EE22型高频变压器磁芯。
当输入电压低于欠压值时，TNY267P就自动关断，起到保护作用；仅当输入电压高于欠压阈值时才工作。R2、R3为欠压阈值设定电阻，二者的总阻值选4MΩ时，欠压阈值设定为直流200V，整流后的直流高压UI必须高于200V时，才能开启电源。而一旦开启电源，就将持续工作，直到UI降至140V才关机。这种滞后式关机的特性，可为待机电源提供所需的保持时间。
初级一侧的辅助绕组经VD2、C2整流滤波后，获得＋12V输出电压，并通过R4给TNY267P供电。正常工作时TNY267P内部漏极驱动的电流源也停止对外部旁路电容充电，以减少其间的静态损耗。选R4=10kΩ时，可为旁路端提供640μA的电流，这略高于TNY267P的损耗电流，超出部分将被芯片内部的稳压管钳位在6.3V的安全电压上。
次级输出经VD3、C6和C7进行整流滤波。L与C8构成后级滤波器，主要用来滤除开关噪声。当输出端短路时，自动重启动电路就限制了输出电流的增大，并且滤除了对VD3的过冲电压。由光耦合器IC2（SFH6152）、稳压管VDZ对5V输出进行检测，R5给稳压管提供偏置电流。
（三）电路设计要点
1．选择输出功率较大的TinySwitch II芯片，有助于提高电源效率。例如在图4所示的电路中，选择TNY267时电源效率的下限值为78％；若采用TNY266、TNY264，就依次降为76％、74％。
2．在图示电路中，待机电源若选择TNY266P芯片，输出功率就降为10W。此时可选EE16型高频变压器磁芯，并且还可以去掉滤波电容C7。
3．TinySwitch II能滤除高频变压器产生的音频噪声。当开关电源随负载的减轻而产生音频干扰时，TinySwitch II就通过不连续地减小极限电流值，以滤除音频噪声。
4．图中的LTV817型线性光耦合器，可用PC817或PC817A来代替。它们的技术参数基本相同，电流传输比CTR=80％～160％，反向击穿电压U(BR)CEO≥35V。
5．输出整流管是导致电源效率下降的重要原因之一，其损耗约占全部损耗的1／4～1／5。进行低压、大电流整流时，宜采用肖特基势垒二极管（SBD）。肖特基整流管属于低压、低功耗、大电流、超高速半导体功率器件，其反向恢复时间极短，正向导通压降仅为0.5V左右，而整流电流却可达几百至几千A。这些优良特性是快恢复二极管及超快恢复二级管所不具备的，它适合作为开关电源中的低压整流管。
参考文献：
[1]沙占友，单片机外围电路设计.北京：电子工业出版社，2006.197-199.
[关键词]单片开关电源 待机 远程关断 跳过周期
中图分类号：TN7 文献标识码：A 文章编号：1671－7597(2008)1020032－01
单片开关电源自20世纪90年代中期问世以来便显示出强大的生命力，它作为一项颇具发展前景和影响力的新产品，引起了国内外电源界的普遍关注。1994年，美国电源集成(P1)公司在世界上率先研制成功单片开关电源TOPSwitch系列，并相继推出TOPSwithch_II系列、TOPSwitchFX、TOPSwitchGX系列以及高效、小功率、低价位的TinySwitch系列、TinySwitchII系列微型单片开关电源。上述产品采用了先进的节能技术和制作工艺，因此被誉为“绿色芯片”(Green Chip)，可广泛应用于各种通用及专用开关电源、待机电源、便携式电子装置及家用电器中微控制器（MCU）的电源模块中。
一、TOPSwitch系列节能技术
TOPSwitch－FX系列五端单片开关电源集成电路采用了“跳过周期”等新技术。如果开关电源的负载非常轻，以至于开关电源在最小占空比(Dmin=1.5%)之下所提供的输出功率，仍然超过负载上的功耗，TOPSwitch-FX就采用跳过周期的工作方式进一步降低输出功率，来提高轻载时电压的稳定性。此方式可等效为先将占空比固定在1.5%或更低上，然后用PFM方式调节轻载时的UO值。根据负载变化情况，开关电源能在正常工作和跳过周期方式之间自动转换，而无须其他控制。
对于TOPSwitchGX而言，开关频率及占空比能随输出端负载的降低而自动减小，其减小量与控制端电流成反比。当负载很轻时，开关频率也减少到最小值，以提高开关电源在轻载下的效率。在全频模式下，开关频率的正常值(即典型值)为132 kHz，频率最小值为30kHz；在半频模式下开关频率正常值为66 kHz，此时频率最小值就降至15 kHz。
二、TinySwitch系列典型应用
（一）TinySwitch系列节能技术
频率抖动技术PI的TinySwitch-II系列属于第二代增强型隔离式微型单片开关电源集成电路，适合制作23W以下的低成本微型化开关电源。该芯片采用了“频率抖动”技术，以降低由开关频率高次谐波所造成的电磁干扰。将开关频率限制在很窄的波段内抖动，由于开关频率是在132kHz附近不断变化的，它与132kHz固定频率的高次谐波干扰之间没有相关性，因此利用频率抖动信号能够降低传导噪声，其开关频率的抖动范围是128kHz~136kHz，抖动量为±4kHz。利用此功能可显著减小噪声干扰，并且噪声谐波次数愈高，抑制作用愈明显。例如对5次谐波噪声平均值的衰减量可达10dB以上，该系列单片开关电源为办公自动化设备、消费类及工业电子产品提供了一套简单而经济的电源系统设计方案。
（二）15W的PC机待机电源电路
采用TinySwitch系列产品可设计一种输出功率为15W的PC机待机电源电路，如图1所示。
该电源可提供两路输出：主输出为＋5V、3A；辅助输出则为＋12V、20mA，总输出功率为15.24W，电源效率高于78％。电路中采用两片集成电路：TNY267P型微型单片开关电源（IC1),SFH6152型线性光耦合器（IC2）。直流输入电压为140V～375V，这对应于交流输入电压为230V±15％或者110／115V倍压输入的情况。利用TNY267P的欠压检测、自动重启动和高频开关特性，允许使用体积较小、价格较低的EE22型高频变压器磁芯。
当输入电压低于欠压值时，TNY267P就自动关断，起到保护作用；仅当输入电压高于欠压阈值时才工作。R2、R3为欠压阈值设定电阻，二者的总阻值选4MΩ时，欠压阈值设定为直流200V，整流后的直流高压UI必须高于200V时，才能开启电源。而一旦开启电源，就将持续工作，直到UI降至140V才关机。这种滞后式关机的特性，可为待机电源提供所需的保持时间。
初级一侧的辅助绕组经VD2、C2整流滤波后，获得＋12V输出电压，并通过R4给TNY267P供电。正常工作时TNY267P内部漏极驱动的电流源也停止对外部旁路电容充电，以减少其间的静态损耗。选R4=10kΩ时，可为旁路端提供640μA的电流，这略高于TNY267P的损耗电流，超出部分将被芯片内部的稳压管钳位在6.3V的安全电压上。
次级输出经VD3、C6和C7进行整流滤波。L与C8构成后级滤波器，主要用来滤除开关噪声。当输出端短路时，自动重启动电路就限制了输出电流的增大，并且滤除了对VD3的过冲电压。由光耦合器IC2（SFH6152）、稳压管VDZ对5V输出进行检测，R5给稳压管提供偏置电流。
（三）电路设计要点
1．选择输出功率较大的TinySwitch II芯片，有助于提高电源效率。例如在图4所示的电路中，选择TNY267时电源效率的下限值为78％；若采用TNY266、TNY264，就依次降为76％、74％。
2．在图示电路中，待机电源若选择TNY266P芯片，输出功率就降为10W。此时可选EE16型高频变压器磁芯，并且还可以去掉滤波电容C7。
3．TinySwitch II能滤除高频变压器产生的音频噪声。当开关电源随负载的减轻而产生音频干扰时，TinySwitch II就通过不连续地减小极限电流值，以滤除音频噪声。
4．图中的LTV817型线性光耦合器，可用PC817或PC817A来代替。它们的技术参数基本相同，电流传输比CTR=80％～160％，反向击穿电压U(BR)CEO≥35V。
5．输出整流管是导致电源效率下降的重要原因之一，其损耗约占全部损耗的1／4～1／5。进行低压、大电流整流时，宜采用肖特基势垒二极管（SBD）。肖特基整流管属于低压、低功耗、大电流、超高速半导体功率器件，其反向恢复时间极短，正向导通压降仅为0.5V左右，而整流电流却可达几百至几千A。这些优良特性是快恢复二极管及超快恢复二级管所不具备的，它适合作为开关电源中的低压整流管。
参考文献：
[1]沙占友，单片机外围电路设计.北京：电子工业出版社，2006.197-199.