TEA1520系列節能型單片開關電源的原理

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

關鍵詞：節能；單片開關電源；控制電路；谷值開關；退磁

??? 荷蘭飛利浦（Philips）公司于2000年推出的TEA1520系列單片開關電源，由于采用了先進的節能技術和制作工藝，因此被譽為“綠色芯片”（GreenChip）。TEA1520系列適用于電池充電器、電源適配器，或機頂盒、DVD、CD、CVCR（攝錄像機）、電視/監視器的備用電源，并可作為PC機外部設備、便攜式電子裝置及家用電器中微控制器（MCU）的電源。此外，它還被應用到通信、網絡等領域。

1? TEA1520系列單片開關電源的性能特點

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

表1? TEA1520系列的產品分類及最大輸出功率W

??? 該系列產品具有以下特點：

??? 1）采用Philips公司專有的高壓EZ?HV和低壓Bi?CMOS集成工藝，適合設計50W以下的小功率、小型化、低成本開關電源。這類開關電源可以做得很小，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模式下的電壓控制型反激式開關電源，能滿足交流80～276V的世界通用電源標準。其開關頻率范圍是10kHz～200kHz，典型值可取100kHz，開關頻率可從外部精確地調整，主要由振蕩元件的時間常數來確定。內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頻率上，即脈寬調制（PWM）模式，后者需通過R、C振蕩元件來校準開關頻率。

??? 3）其“綠色節能”特性突出表現在以下幾個方面：

??? ——在空載時的待機功耗極低，小于100mW；

——內部設計了一個“谷值開關”（Valley Switching）電路，能把功率開關管導通時由漏極分布電容產生的開關損耗降至最低；

??? ——在低功耗輸出時能自動降低開關頻率，使芯片工作在低頻模式下，從而減小了芯片功耗。

??? 4）片內集成了一只耐壓為650V的功率開關管（MOSFET）。

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

2? TEA1520系列單片開關電源的工作原理

??? 與Power Integration公司的TOPSwitch-Ⅱ系列相比，Philips公司的TEA1520系列在芯片設計原理上有許多獨特之處，其內部框圖如圖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過整流濾波器后，給芯片提供工作電壓；GND為公共地（即開關電源的功率地）；RC為外接振蕩電阻和振蕩電容，用于設定開關頻率；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，該端相當于TOPSwitch-Ⅱ的控制端（C）；SGND為信號地（僅TEA1522AJM有此端），使用時該端應與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為內部功率開關管（MOSFET）的漏極引出端；S為內部功率開關管（MOSFET）的源極引出端。

圖1? TEA1520系列開關電源的內部框圖

??? TEA1520內部主要包括以下10部分：①內部電源；②振蕩器；③2.5V基準電壓源（UREF）、增益為20dB的誤差放大器；④脈寬調制器（即PWM比較器）；⑤主控門Y、驅動級和功率開關管（MOSFET）；⑥谷值開關電路（僅DIP-8封裝和SO-14封裝的產品有此電路）；⑦控制邏輯；⑧保護邏輯及保護電路，含過流保護電路（由外部過流檢測電阻R_S與比較器Ⅱ所組成）、短路保護電路（R_S、比較器Ⅲ）、上電復位電路及過熱保護電路；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。

??? TEA1520系列的基本工作原理是利用反饋電壓去調節占空比來達到穩壓目的。舉例說明，當輸出電壓UO下降時，反饋電壓U_REG也隨之降低，U_REG與內部2.50V基準電壓（UREF）進行比較和放大后，產生誤差電壓U_r，再通過PWM比較器去調節輸出脈沖信號的占空比，使占空比增大，迫使U_O升高，最終使U_O不變。當開關頻率f=100kHz時，占空比的調節范圍是0％～75％。

??? 當輸出功率很小、誤差電壓U_r<1.8V時，振蕩器就進入低頻工作模式，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

??? 控制電路的基本結構如圖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U_RC=2.5V時，就對C進行快速充電；然后C又對R進行放電，直到U_RC=75mV為止。放電過程需要3.5τ的時間，τ是時間常數。振蕩頻率的計算公式為

??? f≈（1）

圖2? 控制電路的基本結構

應取振蕩電容C≥220pF，但容量取得過大會影響高頻性能。

??? 在R、C充、放電過程中可產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U_r改變時，D隨之而變，再通過主控門和驅動級來改變MOSFET的通斷時間，進而調節U_O值使之趨于穩定。

??? 圖3分別示出TEA1520系列在低功率輸出和高功率輸出時的電壓波形。U_r1、U_r2分別為低功率輸出、高功率輸出所對應的誤差電壓。t_ON為MOSFET的導通時間。由圖2可見，當U_J>U_r時，MOSFET導通；當U_J<U_r時MOSFET關斷。

圖3? 在低功率輸出和高功率輸出時的電壓波形

2.2? 谷值開關電路

??? 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構成的LC諧振電路會形成振鈴電壓（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）

為減小開關損耗，在芯片內部專門增加了谷值開關電路。谷值開關信號（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。每當振鈴電壓到達谷值時，谷值開關電路就產生一個谷值開關信號（正脈沖），令MOSFET截止，起到了降低開關損耗的作用。圖4中的U₂為二次繞組的電壓。A點代表用谷值開關信號來啟動新的振蕩周期，B點代表按照傳統的PWM方式來啟動新的振蕩周期。

圖4? 谷值開關信號與漏極電壓、振鈴電壓的波形

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

??? U_F=nU_O（4）

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

圖5? 功率開關管的導通角與振鈴頻率的關系曲線

??? TEA1520系列的振鈴頻率范圍是200kHz～800kHz。查關系曲線知，當f_ringing=480kHz時，θ=0°，此時U_D達到最小值，而MOSFET關斷。當f_ringing=200kHz時，θ=－33°，這時在谷值開關信號的作用之下，θ角提前了33°，因此MOSFET在U_D達到最小值之前的33°就已經開始導通了。在上述兩種情況下均可減小開關損耗。

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，起過壓保護作用。對反激式開關電源而言，當MOSFET關斷時，反饋繞組的同名端（圖中用小圓點表示）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，就不會啟動一個新的振蕩周期。利用退磁電路可以檢測高頻變壓器上的剩磁，僅當剩磁接近于零時，才允許TEA1520進入下一個振蕩周期。這樣即可避免出現磁飽和現象。退磁電阻的阻值范圍是幾十kΩ至幾百kΩ，典型值為220kΩ。最大退磁電流應低于10mA，以防止VD₁、VD₂因過流而損壞。

圖6? 退磁電路

2.4? 保護電路

??? 1）過流保護

??? 在源極與地之間接入過流檢測電阻R_S，就和比較器Ⅱ構成過流保護電路。當漏極電流超過極限電流時，U_RS>0.5V，比較器Ⅱ迅速翻轉，輸出變為高電平，立即將MOSFET關斷。

??? 2）短路保護

??? 對開關電源而言，短路是比過流更為嚴重的一種故障。一旦U_RS>0.75V，證明開關電源已出現短路故障，可能是負載短路等原因而造成的。見圖1所示。此時短路保護電路迅速起作用，比較器Ⅲ就輸出高電平，強迫MOSFET關斷。

??? 3）過熱保護

??? 當芯片的最高結溫T_jM達到160℃時，立即關斷MOSFET，防止芯片過熱損壞。過熱保護有2℃的滯后溫度，僅當芯片溫度降低到158℃以下時，電路才能恢復正常工作。

??? 4）過壓保護

??? 當U_REG>7.5V時，就進行過壓鉗位保護。