TEA1520系列节能型单片开关电源的原理

TEA1520系列节能型单片开关电源的原理

摘要：目前，国外许多著名的IC厂家都在大力开发低功耗、节能型单片开关电源集成电路。介绍了Philips公司新推出的TEA1520系列单片开关电源的性能特点及工作原理。

关键词：节能；单片开关电源；控制电路；谷值开关；退磁

    荷兰飞利浦（Philips）公司于2000年推出的TEA1520系列单片开关电源，由于采用了先进的节能技术和制作工艺，因此被誉为“绿色芯片”（GreenChip）。TEA1520系列适用于电池充电器、电源适配器，或机顶盒、DVD、CD、CVCR（摄录像机）、电视/监视器的备用电源，并可作为PC机外部设备、便携式电子装置及家用电器中微控制器（MCU）的电源。此外，它还被应用到通信、网络等领域。

1  TEA1520系列单片开关电源的性能特点

    TEA1520系列产品包括TEA1520P～TEA1524P（DIP封装）、TEA1520T～TEA1523T（SO封装）和TEA1522AJM～TEA1524AJM（DBS封装），共12种型号。产品分类及最大输出功率详见表1。

表1  TEA1520系列的产品分类及最大输出功率W

    该系列产品具有以下特点：

    1）采用Philips公司专有的高压EZ?HV和低压Bi?CMOS集成工艺，适合设计50W以下的小功率、小型化、低成本开关电源。这类开关电源可以做得很小，因其体积与插头式电源适配器相仿，故被称作“STARplug”，在英文中即“星形插头”之意。

    2）它属于工作在不连续模式下的电压控制型反激式开关电源，能满足交流80～276V的世界通用电源标准。其开关频率范围是10kHz～200kHz，典型值可取100kHz，开关频率可从外部精确地调整，主要由振荡元件的时间常数来确定。内部振荡器既可工作在自供偏压模式（简称SOPS模式），亦可工作在固定的开关频率上，即脉宽调制（PWM）模式，后者需通过R、C振荡元件来校准开关频率。

    3）其“绿色节能”特性突出表现在以下几个方面：

    ——在空载时的待机功耗极低，小于100mW；

——内部设计了一个“谷值开关”（Valley Switching）电路，能把功率开关管导通时由漏极分布电容产生的开关损耗降至最低；

    ——在低功耗输出时能自动降低开关频率，使芯片工作在低频模式下，从而减小了芯片功耗。

    4）片内集成了一只耐压为650V的功率开关管（MOSFET）。

    5）具有完善的保护功能，包括独特的退磁保护，以及输出过流保护，短路保护、输入过压保护和过热保护。

2  TEA1520系列单片开关电源的工作原理

    与Power Integration公司的TOPSwitch-Ⅱ系列相比，Philips公司的TEA1520系列在芯片设计原理上有许多独特之处，其内部框图如图1所示。各引脚的功能如下：U_CC为工作电源端，反馈绕组的输出电压经过整流滤波器后，给芯片提供工作电压；GND为公共地（即开关电源的功率地）；RC为外接振荡电阻和振荡电容，用于设定开关频率；R_EG为反馈电压（U_REG）输入端，U_CC通过电阻分压后提供反馈电压，该端相当于TOPSwitch-Ⅱ的控制端（C）；SGND为信号地（仅TEA1522AJM有此端），使用时该端应与GND连通；AUX为辅助绕组的电压输入端，该端所接的辅助电阻（亦称退磁电阻）R_AUX，可对高频变压器起到退磁作用；D为内部功率开关管（MOSFET）的漏极引出端；S为内部功率开关管（MOSFET）的源极引出端。

图1  TEA1520系列开关电源的内部框图

    TEA1520内部主要包括以下10部分：①内部电源；②振荡器；③2.5V基准电压源（UREF）、增益为20dB的误差放大器；④脉宽调制器（即PWM比较器）；⑤主控门Y、驱动级和功率开关管（MOSFET）；⑥谷值开关电路（仅DIP-8封装和SO-14封装的产品有此电路）；⑦控制逻辑；⑧保护逻辑及保护电路，含过流保护电路（由外部过流检测电阻R_S与比较器Ⅱ所组成）、短路保护电路（R_S、比较器Ⅲ）、上电复位电路及过热保护电路；⑨退磁电路（VD₁、VD₂和比较器Ⅰ）；⑩前沿闭锁电路，可避免尖峰电流引起误触发。

    TEA1520系列的基本工作原理是利用反馈电压去调节占空比来达到稳压目的。举例说明，当输出电压UO下降时，反馈电压U_REG也随之降低，U_REG与内部2.50V基准电压（UREF）进行比较和放大后，产生误差电压U_r，再通过PWM比较器去调节输出脉冲信号的占空比，使占空比增大，迫使U_O升高，最终使U_O不变。当开关频率f=100kHz时，占空比的调节范围是0％～75％。

    当输出功率很小、误差电压U_r<1.8V时，振荡器就进入低频工作模式，通过延长振荡周期来提高电源效率。

    下面介绍主要功能电路的工作原理。

2.1  控制电路

    控制电路的基本结构如图2所示。R、C分别为振荡电阻与振荡电容。令RC引脚的电压为U_RC，其最大值U_RC(max)=2.5V，最小值U_RC(min)=75mV（均为典型值）。当U_RC=2.5V时，就对C进行快速充电；然后C又对R进行放电，直到U_RC=75mV为止。放电过程需要3.5τ的时间，τ是时间常数。振荡频率的计算公式为

    f≈（1）

图2  控制电路的基本结构

应取振荡电容C≥220pF，但容量取得过大会影响高频性能。

    在R、C充、放电过程中可产生近似于锯齿波的电压U_J，U_J送至PWM比较器的反相输入端，而误差电压U_r则加到同相输入端。当U_r改变时，D随之而变，再通过主控门和驱动级来改变MOSFET的通断时间，进而调节U_O值使之趋于稳定。

    图3分别示出TEA1520系列在低功率输出和高功率输出时的电压波形。U_r1、U_r2分别为低功率输出、高功率输出所对应的误差电压。t_ON为MOSFET的导通时间。由图2可见，当U_J>U_r时，MOSFET导通；当U_J<U_r时MOSFET关断。

图3  在低功率输出和高功率输出时的电压波形

2.2  谷值开关电路

    高频变压器一次绕组上的分布电容，反映到MOSFET的漏极引脚上，即为漏极分布电容C_D。由C_D和一次绕组电感L_P构成的LC谐振电路会形成振铃电压（ringing voltage）。振铃电压属于衰减振荡的干扰电压，其振荡频率由下式确定：

    f_ringing=（2）

显然，在MOSFET导通期间，由振铃频率所造成的功率损耗为：

    P_ON=C_DU_D²f_ringing（3）

为减小开关损耗，在芯片内部专门增加了谷值开关电路。谷值开关信号（U_V）与漏极电压、振铃电压的波形如图4所示。振铃电压（U_ringing）就叠加在漏极电压波形上。每当振铃电压到达谷值时，谷值开关电路就产生一个谷值开关信号（正脉冲），令MOSFET截止，起到了降低开关损耗的作用。图4中的U₂为二次绕组的电压。A点代表用谷值开关信号来启动新的振荡周期，B点代表按照传统的PWM方式来启动新的振荡周期。

图4  谷值开关信号与漏极电压、振铃电压的波形

    设输出电压为U_O，反馈系数（即高频变压器的匝数比）为n，反馈绕组输出电压（U_F）由下式确定：

    U_F=nU_O（4）

当U_F=80V时，功率开关管的导通角（θ）与振铃频率（f_ringing）的关系曲线如图5所示。

图5  功率开关管的导通角与振铃频率的关系曲线

    TEA1520系列的振铃频率范围是200kHz～800kHz。查关系曲线知，当f_ringing=480kHz时，θ=0°，此时U_D达到最小值，而MOSFET关断。当f_ringing=200kHz时，θ=－33°，这时在谷值开关信号的作用之下，θ角提前了33°，因此MOSFET在U_D达到最小值之前的33°就已经开始导通了。在上述两种情况下均可减小开关损耗。

2.3  退磁电路

    退磁电路如图6所示。NF代表高频变压器的反馈绕组。R_AUX为辅助电阻，它能配合电路起到退磁作用。由VD₁、VD₂组成双向限幅二极管，起过压保护作用。对反激式开关电源而言，当MOSFET关断时，反馈绕组的同名端（图中用小圆点表示）呈正电压，电流通过R_AUX流入AUX端，再流到比较器Ⅰ的同相输入端，只要同相端电压高于100mV，就不会启动一个新的振荡周期。利用退磁电路可以检测高频变压器上的剩磁，仅当剩磁接近于零时，才允许TEA1520进入下一个振荡周期。这样即可避免出现磁饱和现象。退磁电阻的阻值范围是几十kΩ至几百kΩ，典型值为220kΩ。最大退磁电流应低于10mA，以防止VD₁、VD₂因过流而损坏。

图6  退磁电路

2.4  保护电路

    1）过流保护

    在源极与地之间接入过流检测电阻R_S，就和比较器Ⅱ构成过流保护电路。当漏极电流超过极限电流时，U_RS>0.5V，比较器Ⅱ迅速翻转，输出变为高电平，立即将MOSFET关断。

    2）短路保护

    对开关电源而言，短路是比过流更为严重的一种故障。一旦U_RS>0.75V，证明开关电源已出现短路故障，可能是负载短路等原因而造成的。见图1所示。此时短路保护电路迅速起作用，比较器Ⅲ就输出高电平，强迫MOSFET关断。

    3）过热保护

    当芯片的最高结温T_jM达到160℃时，立即关断MOSFET，防止芯片过热损坏。过热保护有2℃的滞后温度，仅当芯片温度降低到158℃以下时，电路才能恢复正常工作。

    4）过压保护

    当U_REG>7.5V时，就进行过压钳位保护。