变频空调用新型高性能开关电源的设计陈祥

变频空调用新型高性能开关电源的设计陈祥

陈祥

（广东美的集团家用空调事业部广东佛山528300）

摘要：原有脉宽调制（PWM）方式的开关电源，虽然电路简单，但因开关频率固定，导致轻载时的电源效率明显降低，同时产生较强的EMI。采用PI公司TinySwitch-II系列控制芯片的开关电源，因采用脉冲频率调制（PFM）、开／关控制和关断频率抖动等新技术，使得在任何负载下效率相同，且具有结构简单，成本低廉，EMI低等优点。

关键词：变频器／空调器；开关电源；

采用单端反激式拓扑设计了一种基于高性能单片控制芯片TNY-268P的新型开关电源，包括开关变压器设计，具有变频调制、开／关控制和关断时频率抖动等特点。

1TNY-268P的改进功能

开关电源控制芯片TNY-268P功能结构。该芯片的主要引脚分为漏极D，源极S，使能端EN／UV和引脚BP，其内部集成了一个700V的功率MOSFET和一个开／关控制器，通过简单的开／关控制调节输出电压，具有下述改进设计：（1）采用逐周期限流控制方式，在每个时钟周期开始时刻，芯片对EN／UV采样，如果EN／UV引脚为高电平，即电流小于240µA，则功率开关管在该开关周期内导通；如果EN／UV引脚为低电平，即电流大于240µA，则功率开关管在该开关周期内关断，在下一个时钟周期起点，将重新检测EN／UV引脚的状态。根据检测结果来决定是否跳过该周期及跳过多少周期后开通。跳周期工作方式提高了有效工作频率，使开关损耗与负载呈线性比例，致使在不同负载情况下，开关电源均具有较高效率。（2）通过检测电流实现开／关控制，使得调节速度比一般的PWM更快，增强了抑制纹波的能力，故开关电源瞬态响应和电网纹波抑制能力都比PWM控制系统优越。（3）新增了开关频率抖动（freCuencyjittering）功能，为降低平均EMI辐射和准峰值EMI辐射，引入了8khz的抖动频率，其调制率为lkhz，可实现快速上电而无过冲，从而有效地抑制了EMI和开关噪声。

2变频空调开关电源设计

控制系统结构。考虑到变频空调中使用的开关电源具有功率小，输出电压路数多，输入电压高，且波动范围大等特点，因此选择易实现多路输出的单端反激式DC／DC功率变换拓扑。主要包括高频开关变压器Tl和由快速二极管VDl，Rl，Cl构成的箝位电路、控制芯片TNY-268P、输出整流电路等部分。它要求将单相电源整流滤波后得到的直流电压转换为+l5V直流，+l2V直流和+5V直流电压各一路，开关电源功率为l5W。其技术指标：交流输入电压VAC=220V20%，频率f=50hz；变压器最高工作频率fT=l32khz；输出三路直流电压为+5V／lA，+l5V／500mA，+l2V／300mA；输出电压纹波和噪声为l%。电路采用3块IC，即TNY-268P（ICl）、普通光电耦合器（IC2）、精密稳压管TL43l。输入侧VDC可在l40!375V范围内调节；光耦和TL43l对+5V输出电压进行反馈检测，所得信号送至EN／UV，根据该引脚电压的大小确定负载情况，由此产生流过MOSFET电流的上限值，通过与当前流过MOSFET的实际电流值比较，确定MOSFET的导通时间，进而达到调整输出电压的目的；+5V电源输出采用了由Ll，CE3，CE4组成的"型滤波器滤波，以得到更稳定的+5V电源；R8，R9，Rl0为三路输出电源的假负载，可提高空载或轻载时的负载调整率；R4，R3为欠压阈值设定电阻，欠压阈值可设定为直流200V，当输入电压达到200V时，芯片才开始工作，当输入电压小于l40V时，TNY-268P停止工作。

3开关变压器的设计

高频开关变压器的设计是重点之一。反激变压器实际上是一个多绕组的耦合电感，单向激磁，为防止磁饱和，磁芯还得加气隙，设计时主要考虑的是磁芯损耗和线圈的交直流损耗。设计主要包括：磁芯材料、尺寸及型号的选择，初、次级绕组匝数、线径计算，气隙长度等。（l）选择磁芯。一般按传输功率来选。TNY-268P开关频率最高为l32khz，具有欠压检测，自动重启动和高频开关特性，允许使用体积小、价格较低的EE22型高频变压器铁氧体磁芯；考虑初、次级绕组共需8个端子，可直接进行设计。（2）初级绕组匝数的确定。TNY-258P主要工作于限流状态。加入使能信号后，振荡器在每个周期的起点处使功率MOSFET导通，当上升沿电流达到限流值时，MOSFET关断。MOSFET导通的最长时间受振荡器最大占空比Dmax限制。由于限流值和器件的开关频率一定，输出功率与变压器的一次电感呈正比，与输入电压无关，因此适合宽范围电压输入。为保证开关电源在断续模式下工作（DCM），按到达临界连续时正好达到允许峰值电流条件设计匝比、D和初级电感量，提供全部输出功率。设计时若按最低输入电压时能达到的功率选择器件型号，计算出的电感量就能在到达Dmax限制之前，使电流上升沿达到限流值。初级和次级绕组匝数的计算公式如下：

Ns是按输入最小电压Vsmin时导通占空比最大算得的。经计算，初级电感量Lp为1.2mH±5%，初级绕组匝数为100匝，次级绕组匝数：+5V端为4匝，+15V端为12匝，+12V端为10匝。

3.开关噪声抑制。TNY-268P内部集成了极限电流状态检测，通过分散式地减少极限电流值来滤除因开关电源负载减轻所产生的音频噪声。因TNY-268P的开关频率较高，在输出整流管关断后的反向恢复过程中，也会产生音频干扰，通常在整流管两端并上阻容吸收电路，但只能被动地抑制开关噪声。该设计采用了由非晶合金磁性材料-磁珠和电容组成的噪声滤波器，可主动抑制开关噪声的产生。滤波电感L1采用了3.3µH磁珠。其次，在初级滤波电容正极和次级公共地之间直接安装一只安全电容Cp（Y电容），能很大限度地抑制电磁干扰和共模浪涌电压。

4实验结果

图1示出两种不同负载下MOSFET两端的实测电压波形。

图1轻载或重载时MOSFET两端电压

由图1可见，MOSFET的开关频率随负载的不同而变化，轻载时可降至27kHz；重载时则高达13UkHz，MOSFET两端的最大反压约为5UUV，特有的频率抖动功能使上电迅速且过冲小。实测工作点附近的开关电源，其效率大于75.5%。

图2示出开关电源三路输出电压。

可见，输出电压平稳，纹波小，只要稳定好+5V电压输出，其他两路输出精度均可保证。实验结果表明，开关电源的性能指标良好，已经用作采用共地方案的变频空调电控板电源中。

总之。采用TNY-268P设计的开关电源具有效率高，元件少，工作稳定等优点，特别是价格低廉，适合于实现变频家电控制系统中电压电流等级多，输入电压波动大的运行特点。实验证明了，研制的单端反激开关电源结构简单且紧凑，输出电压纹波小，效率高，工作稳定，适用于交流输入电压波动大的场合，现已应用于变频变调中，具有很好的应用前景。

参考文献

[1]张秀英，浅谈变频空调用新型高性能开关电源的设计.2017.

[2]王海燕，变频空调用新型高性能开关电源的设计研究.2017.