TEA1520系列节能型单片开关电源的原理

2011-05-23 19:33:25来源: 互联网

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

型号 交流80~275V输入 交流180~275V输入 交流150V输入
DIP/SO封装 DBS封装 DIP/SO封装 DBS封装 DIP/SO封装 DBS封装
TEA1520 2 3 2
TEA1521 3 4.5 3
TEA1522 7 10 8 20 7 10
TEA1523 10 20 15 35 10 20
TEA1524 15 30 30 50 15 30

    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:UCC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;REG为反馈电压(UREG)输入端,UCC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)RAUX,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RS与比较器Ⅱ所组成)、短路保护电路(RS、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UREG也随之降低,UREG与内部2.50V基准电压(UREF)进行比较和放大后,产生误差电压Ur,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UO升高,最终使UO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Ur<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。RC分别为振荡电阻与振荡电容。令RC引脚的电压为URC,其最大值URC(max)=2.5V,最小值URC(min)=75mV(均为典型值)。当URC=2.5V时,就对C进行快速充电;然后C又对R进行放电,直到URC=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RC充、放电过程中可产生近似于锯齿波的电压UJUJ送至PWM比较器的反相输入端,而误差电压Ur则加到同相输入端。当Ur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UO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。Ur1Ur2分别为低功率输出、高功率输出所对应的误差电压。tON为MOSFET的导通时间。由图2可见,当UJ>Ur时,MOSFET导通;当UJ<Ur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CD。由CD和一次绕组电感LP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:

    fringing=(2)

显然,在MOSFET导通期间,由振铃频率所造成的功率损耗为:

    PON=CDUD2fringing(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(UV)与漏极电压、振铃电压的波形如图4所示。振铃电压(Uringing)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UO,反馈系数(即高频变压器的匝数比)为n,反馈绕组输出电压(UF)由下式确定:

    UF=nUO(4)

UF=80V时,功率开关管的导通角(θ)与振铃频率(fringing)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fringing=480kHz时,θ=0°,此时UD达到最小值,而MOSFET关断。当fringing=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UD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。RAUX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RAUX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RS,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,URS>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URS>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TjM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UREG>7.5V时,就进行过压钳位保护。

关键字:系列  节能  原理

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0523/article_9050.html
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