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 удвоением)	85...265 В
TinySwitch®	TNY253P	DIP-8	Рис.1а	0...4	0...2
	TNY253G	SMD-8	Рис.1б	0...4	0...2
	TNY254P	DIP-8	Рис.1а	2...5	1...4
	TNY254G	SMD-8	Рис.1б	2...5	1...4
	TNY255P	DIP-8	Рис.1а	4...10	3,5...6,5
	TNY255G	SMD-8	Рис.1б	4...10	3,5...6,5
TinySwitch® Plus	TNY256P	DIP-8	Рис.1а	8...15	5...10
	TNY256G	SMD-8	Рис.1б	8...15	5...10
	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	5/7,5*	3,7/4,7*
	TNY264P	DIP-8B	Рис.1а	5,5/9*	4/6*
	TNY264G	SMD-8B	Рис.1б	5,5/9*	4/6*
	TNY265P	DIP-8B	Рис.1а	8,5/11*	5,5/7,5*
	TNY265G	SMD-8B	Рис.1б	8,5/11*	5,5/7,5*
	TNY266P	DIP-8B	Рис.1а	10/15*	6/9,5*
	TNY266G	SMD-8B	Рис.1б	10/15*	6/9,5*
	TNY267P	DIP-8B	Рис.1а	13/19*	8/12*
	TNY267G	SMD-8B	Рис.1б	13/19*	8/12*
	TNY268P	DIP-8B	Рис.1а	16/23*	10/15*
	TNY268G	SMD-8B	Рис.1б	16/23*	10/15*

*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
60	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	180	TNY253	до 2 Вт	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	200	TNY254	до 4 Вт	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	100	TNY255	до 5,5 Вт	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

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

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