TEA1520系列单片开关电源的应用电路及设计要点

2011-05-20 22:42:36来源: 互联网

Application Circuits and Design Main Points of 

TEA1520 Family Single-chip Switching Power Supply 

SHA Zhan-you, MA Hong-tao, WANG Yan-peng 

Abstract:TEA1520 series application circuits in simple switching power supply and precise switching power supply are introduced at first,then the main points in their designs are introduced. 

Keywords:Simple switching power supply; Precise switching power supply; Design; Demagnetization

简易型开关电源

    由TEA1520系列构成的简易型开关电源电路如图1所示。

图1由TEA1520系列构成简易型开关电源的电路

    为防止刚上电时输入滤波电容的充电电流过大,在交流电源输入端串联了一只负温度系数的热敏电阻R1(NTC)。BR为整流桥。由C1、L和C2构成π型滤波器。交流电源电压u经过整流滤波后获得直流高压UI,给高频变压器一次侧供电。由VDZ和VD1构成的钳位保护电路,可将漏感产生的尖峰电压衰减到安全范围内,避免损坏芯片。二次绕组电压通过VD3、C5整流滤波后,获得输出电压UO。反馈绕组电压UF分成两路:第一路经过VD2、R2、C3整流滤波后,给TEA1520提供电源电压UCC,再经过R3、R4分压后得到反馈电压UREG,加至TEA1520的脚4;另一路则通过退磁电阻RAUX接脚5。R5和C4分别为振荡电阻、振荡电容。RI是过流检测电阻,利用过流保护电路可限制漏极电流不超过极限值。C6为安全电容。

精密开关电源

    由TEA1522T构成的3W精密开关电源电路如图2所示。当配80~276V交流电源时,最大输出功率可达7W。与图1所示电路相比主要有以下区别:

图2  由TEA1522T构成的3W精密开关电源电路

    1)电路中增加了由可调式并联稳压器(TL431)和光耦合器(SFH6106-2)组成的光耦反馈式电路;

    2)输出级采用两级滤波器,第一级滤波器由C3构成,第二级滤波器由L2、C4构成,亦称后置滤波器,可进一步滤除纹波电压;

    3)在UCC-REG端之间并联一只反向击穿电压为22V的1N6008B型稳压管,一旦UCC>22V,可起到钳位保护作用。

    一次侧的钳位保护电路由VDZ1和VD1所组成。其中,VDZ1为BZD27-C160型瞬态电压抑制器,可直接用P6KE160或者P6KE200来代替。阻塞二极管VD1实选BYD37J型600V/1.5A快恢复二极管,亦可选UF4005型600V/1A的超快恢复二极管,VD3采用STPS340U型400V/3A的肖特基二极管。SFH6106-2型光耦合器亦可用PC817A来代替。高频变压器采用EE13型磁芯,一次绕组匝数NP=134匝,其电感量LP=1.8mH。二次绕组匝数NS=8匝,反馈绕组匝数NF=22匝。

    该电源具有良好的稳压性能。举例说明,当UO降低时,经过R5、R6分压后得到取样电压,与TL431内部的2.50V基准电压进行比较之后,使K点电位升高,LED的工作电流减小,再通过光耦合器使UREG升高,令TEA1522T的输出占空比增大,迫使UO升高,恢复到稳定值,从而达到了稳压的目的。RI为过流检测电阻,RAUX为退磁电阻。R7和R8是LED的限流电阻。R7还与C8构成滤波器,可滤除高频干扰。C7可适当降低误差放大器在高频端的增益,防止出现自激振荡。R9和C10用以改善误差放大器的瞬态响应。C11为安全电容,能够滤除由一次、二次绕组间分布电容产生的噪声电压。

    当u=75~275V时,实测空载时的待机功耗(PD)与电源电压(u)的关系曲线如图3所示。由图3可见,PD最大不超过63mW,远低于100mW,这是TEA1520系列产品的一大特点。开关电源输出功率(PO)与开关频率(f)的关系曲线如图4所示,不难看出,在小功率输出时,开关频率随着输出功率的减小而迅速降低,这是此系列产品的另一显著特点。

图3  待机功耗与电源电压的关系曲线

图4  输出功率与开关频率的关系曲线

设计要点

    下面介绍TEA1520系列单片开关电源的设计要点。需要指出,设计TEA1520系列时所用的公式与TOPSwitch-Ⅱ系列有所不同,原因之一是这两种芯片的特性存在差异,原因之二是在设计方法上二者有一定区别。下面以3W精密开关电源为例,介绍TEA1520系列的设计要点。

3.1  开关频率

    通过选择振荡电阻与振荡电容值,即可设定开关频率,允许范围是20kHz~200kHz。取R2=7.5kΩ、C5=330pF时,开关频率f≈115kHz,可近似视为100kHz。振荡电容容量的允许范围是220~1000pF,不得小于220pF,否则电路可能不起振。如取C5=100pF时,欲设计f=200kHz,开关电源就无法正常工作。

3.2  高频变压器的设计

    1)一次绕组的电感量LP

    计算LP的公式为

        LP=   (1)

式中:IP为一次绕组的峰值电流。

    2)磁芯的选择

    所选用的磁芯应能满足存储最大能量并留有一定气隙宽度的要求。但二者之间也存在着矛盾,尽管增大气隙宽度可以存储更多的能量,但泄漏电感也会随之增大,因此应做综合考虑。高频变压器所存储的最大能量(EM)由下式确定:

      EM=10-6IP2LP      (2)

式中:IP、LP的单位分别取mA、mH,EM的单位是mJ。

    计算每边留出气隙宽度的公式为

       δ=      (3)

式中:δ为磁芯每边留出的气隙宽度(单位是mm),一般取0.1~0.3mm;

      SJ为磁芯有效截面积(单位是mm2);

       BM为最大磁通密度(单位是mT),一般可取275mT,这样在工作时不会进入磁饱和状态。

有关高频变压器磁芯的选择,可参阅表1。磁芯型号中的三组数字,分别表示磁芯的长度、宽度和厚度(单位是mm)。所选择的磁芯应符合下述条件

      EM(δ1)≤EM≤EM(δ2)      (4)

表1 磁芯的选择

所存储的最大容量EM/mJ 磁芯的型号 有效截面积SJ/mm2
δ1=0.1mm δ2=0.3mm
0.10 0.23 E13/7/4 12.40
0.13 0.33 E16/12/5 19.40
0.14 0.34 E16/8/5 20.10
0.15 0.35 E13/6/6 20.20
0.20 0.45 E19/8/5 22.60
0.21 0.50 E20/10/5 31.20
0.27 0.62 E20/10/6 32.00
0.33 0.78 E25/9/6 38.40
0.38 0.88 E19/8/9 41.30
0.45 1.00 E25/13/7 52.00
0.64 1.40 E30/15/7 60.00
0.74 1.80 E31/13/9 83.20
0.74 1.80 E32/16/9 83.00
0.74 1.80 E34/14/9 80.70
    举例说明,现采用E13/7/4型磁芯,查表1可知SJ=12.40mm2。已知LP=1.8mH,BM=275mT,令IP=330mA,分别代入式(2)和式(3),计算出

      EM=10-6IP2LP=10-6×3302×1.8=0.19mJ

         δ===0.11mm

查表1可知,EM(δ1)=0.10mJ,EM(δ2)=0.23mJ,而算出的EM=0.19mJ,恰好在0.10~0.23mJ之间,满足式(4)的规定条件,由此证明所选磁芯是合适的。为便于加工,实际气隙宽度可取整数值0.1mm。

    3)一次绕组匝数NP计算公式为

        NP=     (5)

根据计算结果找出一个最接近于NP值的整数值,作为一次绕组的实际匝数。将δ=0.1mm,BM=275mT,IP=330mA,代入式(5)中,得到NP=133.2匝≈134匝。

    4)二次绕组匝数NS

    按下式计算NS并取整数值

        NS=·NP     (6)

式中,UF3为输出整流管的正向压降。实取UO=5V,UF3=0.4V(采用肖特基二极管),n=17,NP=134匝,代入式(6)中求出NS=8.5匝,取整数值8匝。

    5)反馈绕组匝数NF

    当电源电压UCC确定后,可按下式计算NF值

         NF=·NS   (7)

将UCC=15V,UO=5V,UF2=0.7V代入式(7)中求得,NF=22.04匝,取整数值22匝。

3.3  计算过流检测电阻RI

    过流检测电阻用来限定IP值,亦即MOSFET的最大漏极电流ID(max)。RI上最大压降的典型值为URI=0.5V。RI的阻值可用下式求出

       RI≤=       (8)

    当IP=330mA时,由式(8)计算出RI=1.5Ω。其最大功耗P=IPURI=0.165W,实选0.5W的电阻。

3.4  计算退磁电阻RAUX

    计算退磁电阻的公式为

      RAUX=0.7nUO     (9)

式(9)中电阻的单位是kΩ。取UO=5V,n=NP/NS=134/8=16.75≈17,将nUO=85V代入式(9)中不难算出,RAUX=60kΩ。图2中实取75kΩ。

3.5  确定电源电压UCC

    TEA1520系列的电源电压典型值约为13V,实际可取20V以下。计算公式为

       UCC=·(UO+UF2)-UF2    (10)

式中的UF2代表反馈电路中整流管VD2的正向压降。将NF=22匝,NS=8匝,UO=5V,UF2=0.7V一并代入式(10)中,得到UCC=15V。

参考文献

[1]  沙占友.单片开关电源技术讲座[J].电源技术应用,2000,3(8)~(12).

[2]  沙占友,陈书旺,葛家怡.TEA1520系列节能型单片开关电源的原理[J].电源技术应用,2002,5(12):615~618.

关键字:简易型开关电源  精密开关电源  设计  退磁

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0520/article_8845.html
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