TEA1520系列節(jié)能型單片開關(guān)電源的原理

摘要：目前，國外許多著名的IC廠家都在大力開發(fā)低功耗、節(jié)能型單片開關(guān)電源集成電路。介紹了Philips公司新推出的TEA1520系列單片開關(guān)電源的性能特點(diǎn)及工作原理。

關(guān)鍵詞：節(jié)能；單片開關(guān)電源；控制電路；谷值開關(guān)；退磁

荷蘭飛利浦（Philips）公司于2000年推出的TEA1520系列單片開關(guān)電源，由于采用了先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)和制作工藝，因此被譽(yù)為“綠色芯片”（GreenChip）。TEA1520系列適用于電池充電器、電源適配器，或機(jī)頂盒、DVD、CD、CVCR（攝錄像機(jī)）、電視/監(jiān)視器的備用電源，并可作為PC機(jī)外部設(shè)備、便攜式電子裝置及家用電器中微控制器（MCU）的電源。此外，它還被應(yīng)用到通信、網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域。

1 TEA1520系列單片開關(guān)電源的性能特點(diǎn)

TEA1520系列產(chǎn)品包括TEA1520P～TEA1524P（DIP封裝）、TEA1520T～TEA1523T（SO封裝）和TEA1522AJM～TEA1524AJM（DBS封裝），共12種型號(hào)。產(chǎn)品分類及最大輸出功率詳見表1。

表1 TEA1520系列的產(chǎn)品分類及最大輸出功率W

該系列產(chǎn)品具有以下特點(diǎn)：

1）采用Philips公司專有的高壓EZ?HV和低壓Bi?CMOS集成工藝，適合設(shè)計(jì)50W以下的小功率、小型化、低成本開關(guān)電源。這類開關(guān)電源可以做得很小，因其體積與插頭式電源適配器相仿，故被稱作“STARplug”，在英文中即“星形插頭”之意。

2）它屬于工作在不連續(xù)模式下的電壓控制型反激式開關(guān)電源，能滿足交流80～276V的世界通用電源標(biāo)準(zhǔn)。其開關(guān)頻率范圍是10kHz～200kHz，典型值可取100kHz，開關(guān)頻率可從外部精確地調(diào)整，主要由振蕩元件的時(shí)間常數(shù)來確定。內(nèi)部振蕩器既可工作在自供偏壓模式（簡稱SOPS模式），亦可工作在固定的開關(guān)頻率上，即脈寬調(diào)制（PWM）模式，后者需通過R、C振蕩元件來校準(zhǔn)開關(guān)頻率。

3）其“綠色節(jié)能”特性突出表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

——在空載時(shí)的待機(jī)功耗極低，小于100mW；

——內(nèi)部設(shè)計(jì)了一個(gè)“谷值開關(guān)”（Valley Switching）電路，能把功率開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)由漏極分布電容產(chǎn)生的開關(guān)損耗降至最低；

——在低功耗輸出時(shí)能自動(dòng)降低開關(guān)頻率，使芯片工作在低頻模式下，從而減小了芯片功耗。

4）片內(nèi)集成了一只耐壓為650V的功率開關(guān)管（MOSFET）。

5）具有完善的保護(hù)功能，包括獨(dú)特的退磁保護(hù)，以及輸出過流保護(hù)，短路保護(hù)、輸入過壓保護(hù)和過熱保護(hù)。

2 TEA1520系列單片開關(guān)電源的工作原理

與Power Integration公司的TOPSwitch-Ⅱ系列相比，Philips公司的TEA1520系列在芯片設(shè)計(jì)原理上有許多獨(dú)特之處，其內(nèi)部框圖如圖1所示。各引腳的功能如下：U_CC為工作電源端，反饋繞組的輸出電壓經(jīng)過整流濾波器后，給芯片提供工作電壓；GND為公共地（即開關(guān)電源的功率地）；RC為外接振蕩電阻和振蕩電容，用于設(shè)定開關(guān)頻率；R_EG為反饋電壓（U_REG）輸入端，U_CC通過電阻分壓后提供反饋電壓，該端相當(dāng)于TOPSwitch-Ⅱ的控制端（C）；SGND為信號(hào)地（僅TEA1522AJM有此端），使用時(shí)該端應(yīng)與GND連通；AUX為輔助繞組的電壓輸入端，該端所接的輔助電阻（亦稱退磁電阻）R_AUX，可對高頻變壓器起到退磁作用；D為內(nèi)部功率開關(guān)管（MOSFET）的漏極引出端；S為內(nèi)部功率開關(guān)管（MOSFET）的源極引出端。

圖1 TEA1520系列開關(guān)電源的內(nèi)部框圖

TEA1520內(nèi)部主要包括以下10部分：①內(nèi)部電源；②振蕩器；③2.5V基準(zhǔn)電壓源（UREF）、增益為20dB的誤差放大器；④脈寬調(diào)制器（即PWM比較器）；⑤主控門Y、驅(qū)動(dòng)級(jí)和功率開關(guān)管（MOSFET）；⑥谷值開關(guān)電路（僅DIP-8封裝和SO-14封裝的產(chǎn)品有此電路）；⑦控制邏輯；⑧保護(hù)邏輯及保護(hù)電路，含過流保護(hù)電路（由外部過流檢測電阻R_S與比較器Ⅱ所組成）、短路保護(hù)電路（R_S、比較器Ⅲ）、上電復(fù)位電路及過熱保護(hù)電路；⑨退磁電路（VD₁、VD₂和比較器Ⅰ）；⑩前沿閉鎖電路，可避免尖峰電流引起誤觸發(fā)。

TEA1520系列的基本工作原理是利用反饋電壓去調(diào)節(jié)占空比來達(dá)到穩(wěn)壓目的。舉例說明，當(dāng)輸出電壓UO下降時(shí)，反饋電壓U_REG也隨之降低，U_REG與內(nèi)部2.50V基準(zhǔn)電壓（UREF）進(jìn)行比較和放大后，產(chǎn)生誤差電壓U_r，再通過PWM比較器去調(diào)節(jié)輸出脈沖信號(hào)的占空比，使占空比增大，迫使U_O升高，最終使U_O不變。當(dāng)開關(guān)頻率f=100kHz時(shí)，占空比的調(diào)節(jié)范圍是0％～75％。

當(dāng)輸出功率很小、誤差電壓U_r1.8V時(shí)，振蕩器就進(jìn)入低頻工作模式，通過延長振蕩周期來提高電源效率。

下面介紹主要功能電路的工作原理。

2.1 控制電路

控制電路的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。R、C分別為振蕩電阻與振蕩電容。令RC引腳的電壓為U_RC，其最大值U_RC(max)=2.5V，最小值U_RC(min)=75mV（均為典型值）。當(dāng)U_RC=2.5V時(shí)，就對C進(jìn)行快速充電；然后C又對R進(jìn)行放電，直到U_RC=75mV為止。放電過程需要3.5τ的時(shí)間，τ是時(shí)間常數(shù)。振蕩頻率的計(jì)算公式為

f≈（1）

圖2 控制電路的基本結(jié)構(gòu)

應(yīng)取振蕩電容C≥220pF，但容量取得過大會(huì)影響高頻性能。

在R、C充、放電過程中可產(chǎn)生近似于鋸齒波的電壓U_J，U_J送至PWM比較器的反相輸入端，而誤差電壓U_r則加到同相輸入端。當(dāng)U_r改變時(shí)，D隨之而變，再通過主控門和驅(qū)動(dòng)級(jí)來改變MOSFET的通斷時(shí)間，進(jìn)而調(diào)節(jié)U_O值使之趨于穩(wěn)定。

圖3分別示出TEA1520系列在低功率輸出和高功率輸出時(shí)的電壓波形。U_r1、U_r2分別為低功率輸出、高功率輸出所對應(yīng)的誤差電壓。t_ON為MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間。由圖2可見，當(dāng)U_J>U_r時(shí)，MOSFET導(dǎo)通；當(dāng)U_JU_r時(shí)MOSFET關(guān)斷。

圖3 在低功率輸出和高功率輸出時(shí)的電壓波形

2.2 谷值開關(guān)電路

高頻變壓器一次繞組上的分布電容，反映到MOSFET的漏極引腳上，即為漏極分布電容C_D。由C_D和一次繞組電感L_P構(gòu)成的LC諧振電路會(huì)形成振鈴電壓（ringing voltage）。振鈴電壓屬于衰減振蕩的干擾電壓，其振蕩頻率由下式確定：

f_ringing=（2）

顯然，在MOSFET導(dǎo)通期間，由振鈴頻率所造成的功率損耗為：

P_ON=C_DU_D²f_ringing（3）

為減小開關(guān)損耗，在芯片內(nèi)部專門增加了谷值開關(guān)電路。谷值開關(guān)信號(hào)（U_V）與漏極電壓、振鈴電壓的波形如圖4所示。振鈴電壓（U_ringing）就疊加在漏極電壓波形上。每當(dāng)振鈴電壓到達(dá)谷值時(shí)，谷值開關(guān)電路就產(chǎn)生一個(gè)谷值開關(guān)信號(hào)（正脈沖），令MOSFET截止，起到了降低開關(guān)損耗的作用。圖4中的U₂為二次繞組的電壓。A點(diǎn)代表用谷值開關(guān)信號(hào)來啟動(dòng)新的振蕩周期，B點(diǎn)代表按照傳統(tǒng)的PWM方式來啟動(dòng)新的振蕩周期。

圖4 谷值開關(guān)信號(hào)與漏極電壓、振鈴電壓的波形

設(shè)輸出電壓為U_O，反饋系數(shù)（即高頻變壓器的匝數(shù)比）為n，反饋繞組輸出電壓（U_F）由下式確定：

U_F=nU_O（4）

當(dāng)U_F=80V時(shí)，功率開關(guān)管的導(dǎo)通角（θ）與振鈴頻率（f_ringing）的關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 功率開關(guān)管的導(dǎo)通角與振鈴頻率的關(guān)系曲線

TEA1520系列的振鈴頻率范圍是200kHz～800kHz。查關(guān)系曲線知，當(dāng)f_ringing=480kHz時(shí)，θ=0°，此時(shí)U_D達(dá)到最小值，而MOSFET關(guān)斷。當(dāng)f_ringing=200kHz時(shí)，θ=－33°，這時(shí)在谷值開關(guān)信號(hào)的作用之下，θ角提前了33°，因此MOSFET在U_D達(dá)到最小值之前的33°就已經(jīng)開始導(dǎo)通了。在上述兩種情況下均可減小開關(guān)損耗。

2.3 退磁電路

退磁電路如圖6所示。NF代表高頻變壓器的反饋繞組。R_AUX為輔助電阻，它能配合電路起到退磁作用。由VD₁、VD₂組成雙向限幅二極管，起過壓保護(hù)作用。對反激式開關(guān)電源而言，當(dāng)MOSFET關(guān)斷時(shí)，反饋繞組的同名端（圖中用小圓點(diǎn)表示）呈正電壓，電流通過R_AUX流入AUX端，再流到比較器Ⅰ的同相輸入端，只要同相端電壓高于100mV，就不會(huì)啟動(dòng)一個(gè)新的振蕩周期。利用退磁電路可以檢測高頻變壓器上的剩磁，僅當(dāng)剩磁接近于零時(shí)，才允許TEA1520進(jìn)入下一個(gè)振蕩周期。這樣即可避免出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象。退磁電阻的阻值范圍是幾十kΩ至幾百kΩ，典型值為220kΩ。最大退磁電流應(yīng)低于10mA，以防止VD₁、VD₂因過流而損壞。

圖6 退磁電路

2.4 保護(hù)電路

1）過流保護(hù)

在源極與地之間接入過流檢測電阻R_S，就和比較器Ⅱ構(gòu)成過流保護(hù)電路。當(dāng)漏極電流超過極限電流時(shí)，U_RS>0.5V，比較器Ⅱ迅速翻轉(zhuǎn)，輸出變?yōu)楦唠娖?，立即將MOSFET關(guān)斷。

2）短路保護(hù)

對開關(guān)電源而言，短路是比過流更為嚴(yán)重的一種故障。一旦U_RS>0.75V，證明開關(guān)電源已出現(xiàn)短路故障，可能是負(fù)載短路等原因而造成的。見圖1所示。此時(shí)短路保護(hù)電路迅速起作用，比較器Ⅲ就輸出高電平，強(qiáng)迫MOSFET關(guān)斷。

3）過熱保護(hù)

當(dāng)芯片的最高結(jié)溫T_jM達(dá)到160℃時(shí)，立即關(guān)斷MOSFET，防止芯片過熱損壞。過熱保護(hù)有2℃的滯后溫度，僅當(dāng)芯片溫度降低到158℃以下時(shí)，電路才能恢復(fù)正常工作。

4）過壓保護(hù)

當(dāng)U_REG>7.5V時(shí)，就進(jìn)行過壓鉗位保護(hù)。