Импульсные блоки питания на микросхемах TinySwitch

Многие радиолюбители используют в своих конструкциях импульсные обратноходовые блоки питания, и встречаются с ними при ремонте раз­личной радиоаппаратуры. В этой статье автор рас­сказывает о ИБП, которые собираются на широ­ко распространенных микросхемах нескольких серий TinySwitch.

Американская компания Power Integrations раз­работала и много лет выпускает несколько се­мейств интегральных микросхем (ИМС) для мало­мощных и малогабаритных сетевых импульсных обратноходовых источников питания с гальвани­ческой развязкой выходных напряжений от сети объединенных общим названием TinySwitch. Это такие семейства как:

• TinySwitch;
• TinySwitch Plus;
• TinySwitch-II;
• TinySwitch-III;
• TinySwitch-4.

Слово «Tiny» (крошечный) в названии этих се­мейств говорит об одной из главных особенностях ИМС этих серий — малых размерах.

Все микросхемы входящие в эти семейства имеют минимум внешних элементов и содержат встроенный выходной ключ на высоковольтном МДП-транзисторе. Рабочее напряжение сток-ис­ток 700 В (для TinySwitch-4 — 725 В). ИМС семей­ства TinySwitch и всех более совершенных се­мейств используются в зарядных устройствах для сотовых телефонов, импульсных блоках питания (ИБП) радиотелефонных удлинителей (бесшнуро­вых радиотелефонов) и антенных усилителей, блоках питания дежурного режима телевизоров, персональных компьютеров и т.п.

В этой статье ограничимся рассмотрением более ранних из этих семейств: TinySwitch, TinySwitch Plus и TinySwitch-II.

Особенности микросхем всех этих семейств сведены в табл.1, а внешний вид ИМС и располо­жение выводов показано на рис.1.

TinySwitch — это семейство экономичных ми­кросхем для маломощных ИБП состоит из трех ми­кросхем TNY253, TNY254 и TNY255, каждая из ко­торых может быть выполнена в одном из двух корпусов DIP-8 (в конце названия микросхемы стоит буква Р) или SMD-8 (в конце названия ми­кросхемы стоит буква G). Так, как частота преоб­разования для микросхем TNY253 и TNY254 со­ставляет 44 кГц, а для TNY255 — 130 кГц, то импульсный трансформатор для ИБП на микро­схеме TNY255 имеет меньшие размеры, чем ана­логичный для ИБП на микросхеме TNY253 или TNY254. По этой же причине ИБП на TNY255 созда­ет несколько больший уровень помех.

Таблица 1

Семейство микросхем	Тип микросхем	Тип	Расположение выводов	230 В или 115 В (с выоенияпрямителем удвоения)	85…265 В
TinySwitch®	TNY253P	DIP-8	Рис.1а	0…4	0…2
	TNY253G	SMD-8	Рис.1б
	TNY254P	DIP-8	Рис.1а	2…5	1…4
	TNY254G	SMD-8	Рис.1б
	TNY255P	DIP-8	Рис.1а	4…10	3,5…6,5
	TNY255G	SMD-8	Рис.1б
TinySwitch® Plus	TNY256P	DIP-8	Рис.1а	8…15	5…10
	TNY256G	SMD-8	Рис.1б
	TNY256Y	Т0-220-7В	Рис.1в	8…19	5…11
TinySwitch®-II	TNY263P	DIP-8B	Рис.1а	5/7,5*	3,7/4,7*
	TNY263G	SMD-8B	Рис.1б
	TNY264P	DIP-8B	Рис.1а	5,5/9*	4/6*
	TNY264G	SMD-8B	Рис.1б
	TNY265P	DIP-8B	Рис.1а	8,5/11*	5,5/7,5*
	TNY265G	SMD-8B	Рис.1б
	TNY266P	DIP-8B	Рис.1а	10/15*	6/9,5*
	TNY266G	SMD-8B	Рис.1б
	TNY267P	DIP-8B	Рис.1а	13/19*	8/12*
	TNY267G	SMD-8B	Рис.1б
	TNY268P	DIP-8B	Рис.1а	16/23*	10/15*
	TNY268G	SMD-8B	Рис.1б

*В числителе указана номинальная мощность преобразователя БП в закрытом корпусе без вентиляции, а в знаменателе — максимальная мощность преобразователя БП в бескорпусном варианте при температуре окружающей среды 50 °С.

ИМС семейства TinySwitch не рекомендуют использовать в производстве современной аппа­ратуры, но этих микросхем предостаточно в уже произведенной аппаратуре, которая попадает ра­диолюбителям на ремонт или разборку.

Семейство микросхем TinySwitch Plus, состо­ящее из одной микросхемы TNY256, является мо­дернизацией TinySwitch. Эта микросхема изготав­ливается в одном из трех корпусов DIP-8 (TNY256P), SMD-8 (TNY256G) или ТО220-7В (TNY256Y). ИМС TinySwitch Plus мощнее, чем мик­росхемы TinySwitch (см. табл.1), но это не един­ственное их различие. Микросхемы TinySwitch Plus имеют защиту по превышению напряжения и прерывистый режим работы (auto-restart) при пе­регрузке, всего этого не было у микросхем TinySwitch.

Семейство микросхем TinySwitch—II — это про­дукт дальнейшей модернизации микросхем TinySwitch и TinySwitch Plus с улучшенными харак­теристиками и защитой. Это обеспечивает сохран­ность элементов обвязки микросхемы и устройств, которые питаются от ИБП HaTinySwitch-II, при ко­ротких замыканиях, дребезге контактов сетевого соединителя, скачках напряжения сети и т.п. Они имеют частоту преобразования 132 кГц. Семейст­во TinySwitch-II состоит из шести микросхем TNY263, …, TNY268, каждая из которых изготавли­вается в одном из двух корпусов DIP-8B (TNY263R …. TNY268P) или SMD-8B (TNY264G, …, TNY268G).

Все микросхемы рассматриваемых семейств содержат:

• выходной ключ на МДП-транзисторе;
• генератор, вырабатывающий тактовые и уп­равляющие импульсы на частотах 44 кГц (TNY253 и TNY254), 130 кГц (TNY255 и TinySwitch Plus) или 132 кГц (TinySwitch-II);
• внутренний источник питания 5,8 В;
• схемы внутренней логики;
• термозащиту;
• схему ограничения тока;
• схемы защиты при увеличении напряжения и при уменьшении напряжения (только TinySwitch Plus и TinySwitch-II).

Корпуса DIP-8 (DIP-8B) и SMD-8(B) имеют 8(7) выводов. Исток МДП-транзистора (S) ИМС в этих корпусах выведен на 5 или 4 вывода микросхе­мы. Если все выводы истока подпаяны к плате, то это обеспечивает повышенный теплообмен и, в итоге, оптимальное охлаждение микросхемы. Для улучшения теплообмена TNY256Y (в корпусе ТО220-7В) можно крепить за фланец на радиа­торе.

Мощностьпотребленияна холостомходу (мВт)	Частотапреобразования (кГц)
60	44
	130
50	132

Назначение выводов микро­схем TinySwitch следующее:

• D (DRAIN) — сток МДП- транзистора выходного ключа, через этот вывод осуществля­ется также за­пуск микро­схемы при включении и питание ее в установив­шемся режи­ме;
• S (SOURCE) — исток МДП- транзистора выходного ключа;
• BP (BYPASS) — вывод под­ключения внешнего развязываю­щего конден­сатора для внутреннего источника пи­тания 5,8 В микросхемы

(вывод не предназначен для подключения внешней нагрузки);

• EN (ENABLE) — вход разрешения, низкий уро­вень напряжения на котором блокирует рабо­ту преобразователя ИБП, за счет чего проис­ходит управление микросхемой.

У микросхем семейств TinySwitch Plus и TinySwitch-II последний из этих выводов имеет двойное назначение и обозначается как EN/UV. Кроме входа разрешения, этот вывод использует­ся как вход UV (under-voltage), что обеспечивает защиту микросхемы при уменьшении напряжения сети. Для обеспечения этой функции на вывод UV необходимо подать через резистор сопротивлени­ем 2 МОм часть напряжения сетевого выпрямите­ля. Если этот резистор не устанавливать, то схема защиты при уменьшении напряжения сети ра­ботать не будет, но все остальные рабочие функ­ции ИМС сохраняются.

Принципиальная схема типового ИБП на микро­схемах семейства TinySwitch показана на рис.2, а назначение деталей этой схемы сведено в табл.2.

Таблица 2

№ детали	Назначение
IC1	микросхема семейства TinySwitch
IC2	оптопара, обеспечивающая гальваническую развязку в цепи, управляющей обратной связи
D1	сетевой выпрямительный мост
D2	диод вторичного импульсного выпрямителя
D3, R3	пороговое устройство
Cl	конденсатор сглаживающего фильтра сетевого выпрямителя
СЗ	развязывающий конденсатор внутреннего источника питания 5,8 В микросхемы
С4	конденсатор сглаживающего фильтра вторичного импульсного выпрямителя
Rl, С2	цепь защиты МДП-транзистора от выбросов ЭДС в первичной обмотке Т1 при запирании этого транзистора
Т1	импульсный трансформатор

Типового принципиальная схема ИБП на ИМС се­мейства TinySwitch Plus изображена на рис.3. Есть два небольших отличия этой схемы от схемы рис.2.

Первое — это наличие цепи защиты МДП-транзистора от выбросов ЭДС в первичной обмотке Т1 при его запирании, которая состоит из R1, С2 и ди­ода D4. Эту цепь в иностранной технической ли­тературе имеет назвние — снаббер.

Второе — это наличие подтягивающего резис­тора R2 между плюсом сетевого выпрямителя и входом EN/UV микросхемы. Схема включения ми­кросхем TinySwitch-II и назначение остальных де­талей обвязки аналогично TinySwitch Plus (сравни­те рис.2 и рис.3).

Импульсный блок питания мощностью 5 Вт на микросхеме TNY266P

Этот блок питания разработан изготовителем микросхем TinySwitch фирмой Power Integrations и рассчитан на работу от сети переменного тока 85…265 В. Выходные напряжения 5 В (4,75… 5,25 В) и 12 В (10 … 13,8 В). Его схема изображена на рис.4.

Подробную информацию о нем можно найти в [1 ]. Эта схема имеет ряд особенностей. Во-первых, не задействована защита от перегрузки по уменьшению напряжения (см. выше). Во-вторых, в цепь защиты МДП-транзистора микросхемы U1 от выбросов ЭДС в первичной обмотке импульсного трансфор­матора Т1 введен супрессор VR1. В-третьих, в од­ном из вторичных выпрямителей используется диод Шоттки (D6), а для сглаживания пульсаций в этом выпрямителе и выпрямителе напряжения сети используются П-образные LC-фильтры. На­значение деталей этого блока сведено в табл.3.

Таблица 3

№ детали	Назначение
R1	ограничивающий резистор (разрывный)
Dl      D4	диоды сетевого выпрямительного моста
LI, Cl, С2	сглаживающий фильтр сетевого выпрямителя
U1	микросхема TNY266P
Т1	импульсный трансформатор
U2	Оптопара РС817А, обеспечивающая гальваническую развязку в цепи управляющей обратной связи
R3	ограничивающий резистор
VR1, D5	цепь защиты МДП-транзистора ИМС U1 от выбросов ЭДС в первичной обмотке Т1 при запирании этого транзистора (снаббер)
СЗ	развязывающий конденсатор внутреннего источника питания 5,8 В микросхемы
D6, D7	диоды вторичного импульсного выпрямителя
С6	конденсатор сглаживающего фильтра вторичного импульсного выпрямителя
С5, L2, С7	сглаживающий фильтр вторичного импульсного выпрямителя
VR2 , R4	пороговое устройство
LED1, R5	индикатор выходного напряжения 12 В
LED2, R6	индикатор выходного напряжения 5 В

У радиолюбителей большие трудности вызывает подбор фирменного или изготовление импульсного трансформатора. Замечу, что в [1] приве­ден расчет и конструк­ция такого трансформа­тора для рассмотренного ИБП. Все же, при желании, в этом ИБП можно ис пользовать трансформатор Р5008 фирмы Pulse, не смотря на то, что он рассчитан под микросхему TNY255. Схема этого трансформатора с номерами выводов показана на рис.5, а внешний вид и габа­риты на рис.6.

Специально для ИБП на микросхемах семейств TinySwitch фирма Pulse выпускает ряд трансфор­маторов, параметры которых сведены в табл.4.

Таблица 4

Трансформатор (Part Number)	Коэффициент трансформации	Максимальная индуктивность рассеяния (мкГн)	Микросхема	Мощность	Для двух выпрямителей / для одного выпрямителя
P5000	1:0,007:0,007	180	TNY253	до 2 Вт	3,3 В … 6 В/6 В … 12 В
P5001	1:0,01:0,01				6 В… 12 В/12 В… 24 В
P5004	1:0,007:0,007	200	TNY254	до 4 Вт	3,3 В… 5,5 В/6 В…12 В
P5005	1:0,01:0,01				6 В … 10 В / 12 В … 24 В
P5008	1:0,007:0,007	100	TNY255	до 5,5 Вт	3,3 В… 6 В/6 В… 12 В
P5009	1:0,01:0,01				6 В… 12 В/12 В… 24В

На схеме ИБП (рис.4) в позиции L2 стоит дрос­сель индуктивностью 18 мкГн, рассчитанный на ток 2,2 А. В качестве этого дросселя можно использо­вать один из дросселей производства фирмы Pulse: Р0751.223 (22 мкГн, 2,6 А), Р1168.273 (20,3 мкГн, 2,4 А), Р1169.273 (20,3 мкГн, 2,4 А) или Р0146 (23 мкГн, 2,43 А). Все перечисленные дроссели имеют малые размеры.

В позицию L1 (рис.4) разработчик рекоменду­ет устанавливать низкочастотный дроссель индук­тивностью 2,2 мГн, рассчитанный на ток 128 мА (например, фирмы Bosung).

Ссылки

1. Engineering Prototype Report (EPR-9) 5 W, Universal Input, Dual Output, Isolated, TNY266 (EP9) на сайте powerint.com.
2. powerint.com — сайт фирмы Power Integrations сайт.
3. www.pulseeng.com — сайт фирмы Pulse.

Автор: Игорь Безверхний, г. Киев
Источник: журнал Радиоаматор №1, 2016