TinySwitch-IITinySwitch-III设计计算

TinySwitch-II设计计算
 

TinySwitch-II设计的计算是基于最差工作环境的假设条件之下。这里假定处于最小的工作电压(VMIN)、最小的电流流限(ILIMITMIN)和最小的开关频率(FSMIN - 最大抖动)。结果波形参数计算(KP)则假定全功率输出,并基于效率(N)和Z因子(Z)估计值。与TOPSwitch-GX设计相同,效率和Z因子是根据最小工作电压进行定义。
 

如果采用的TinySwitch-II设计具有最小的电流流限(ILIMITMIN)和最小的开关频率(FSmin),则等效变压器中储存的能量最小。如图2所示,变压器中储存的能量等于漏极到源极电流(IDS)波形乘以变压器初级绕组间的电压(即大容量输入电压)的灰色阴影区域。该区域标识为ESTORED。这些波形显示了在稳态条件下的连续(顶部)和非连续(底部)工作。实际测量结果在周期跳频模式中会有所不同(参见TinySwitch-II 工作原理)。

PI-2750-050801

图2. TinySwitch-II漏极-源极稳态电流波形。

 

变压器可交付的功率等于储存的能量除以总开关周期(单位为s),(即PSTORED = ESTORED / T,单位为w,而T = 1/FSMIN,单位为s)。开关周期(T)的形式为1/FSMIN。功率等于我们所熟悉的:
 

PTF = ½ * LPmin * (ILIMITMIN^2 - IINIT^2) * FSMIN

 

导通周期在达到最大电流流限(ILIMITMAX)时停止工作可提供额外的储存能量。该额外能量等于在图2显示的IDS曲线下方的附加非阴影区域。这样,工作在最大电流流限的芯片在每个周期都可提供额外的能量。为维持稳压,TinySwitch-II将禁用后续的导通周期(降低有效开关频率或周期跳频)和/或通过状态调节器变换来降低电流流限(请参阅TinySwitch-II工作原理)。产生过载能量(又称过载功率)的部分原因是TinySwitch-II器件本身的特性。 这些参数在列明的器件容差范围内变动(请参阅TNY264-268数据手册)。 

过载功率的进一步偏差可能由变压器初级电感容差而造成(LPmin),后者确定了漏极电流曲线的斜率(见图2)。所显示计算出的电感表示TinySwitch-II器件在最差条件情况下为确保输出功率所必需的最小值。初级电感容差最高可达+/-20%,通常为+/-10%,这取决于变压器的制造情况。“设计结果”表单显示所需的初级电感(LPmin)和最差情况下的TinySwitch-II器件的特性。设计师需要咨询变压器供应商,以确定额定初级电感量和可接受的设计容差。
 

如前面所讨论的,KP是使用TinySwitch-II器件产品系列中的计算值。该计算是基于器件最小电流流限和稳态占空比(DMAX)。图2显示连续模式(KP<1)和非连续模式(KP>=1)工作状况。连续模式出现在初始电流(表示为IINIT)大于零的情况。当KP低于容许限制时,PI Expert将产生相应的警告信息。
 

为确保变压器设计能在最差情况下正常工作,在以下计算中使用了最大电流流限(ILIMITMAX)。这些计算假定在较低的有效开关频率(周期跳频)下工作:

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TinySwitch-III设计计算

TinySwitch-III设计的计算方式与TinySwitch-II的计算方式非常相似。但是,考虑到TinySwitch-III严格的I2F参数公差范围,所有涉及最小电流流限或最小的开关频率的计算实际上都使用了I2F公差范围内可能最差情况下的电流流限或开关频率。这就意味着,由于严格的器件参数公差范围,电源所需的总设计裕量将会更小。

例如,如果一个元件具有最低的指定开关频率,则其必定没有指定的最低电流流限。相反,该元件将具有较高的电流流限,以此保证最小的指定I2F乘积。我们以TNY274P作为一个设计实例。

数据手册中提供的I2F乘积是在典型电流流限和典型开关频率的条件下计算而得。

ILIMIT_TYP = 250 mA

FTYP = 132 kHz

使用数据手册中指定的最小I2F乘数0.9将产生:

I2FMIN = 0.9 * ILIMIT_TYP2*FTYP = 7.425 A2 * kHz

因此,要使用数据手册指定的、不包括抖动的最小开关频率计算最差情况下的电流流限:

FMIN = 124 kHz

ILIM@FMIN = [ (7.425 A2 * kHz) / ( 124 kHz ) ] 1/2 = 0.245 mA

本例显示,一个以数据手册最小开关频率124 kHz工作的元件,其电流流限将在0.245 mA以上。

反过来,您还可以发现,如果一个元件具有最小电流流限,其开关频率FS@ILIMIN必定高于数据手册指定的最小开关频率:

ILIMMIN = 230 mA

则该元件的最差开关频率(包括抖动)可能为:

FS@ILIMIN = [ (7.425 A2 * kHz) / ( 230 mA2 ) ] - 4 kHz = 136 kHz

软件还将最差情况的抖动考虑在内,以确保输出指定功率。

总之,器件上的I2F参数公差范围可缩短确保输出功率及所有元件在安全限值内正常工作所需的总设计边距,从而有助于降低系统成本。

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