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TEA1520TEA1520集成开关稳压电源设计集成开关稳压电源设计 论文论文 TEA1520集成开关稳压电源设计 目 录 集成开关稳压电源设计 摘要 3 第一章 开关电源概述 4 第二章 TEA1520系列单片开关电源设计要点 7 第三章 TEA1520系列单片开关电源的原理与应用 11 结束语 19 参考文献 20 集成开关稳压电源设计 摘 要 随着电子技术的发展 电子设备的应用领域越来越广泛 种类也越来越多 对电源的要求更加灵活多样 其以轻 薄 小和高效率为发展方向 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 其中Philips公司新推出的 TEA1520系列单片开关电源即是一例 他在设计原理上有许多独到之处 关键词 单 片 开 关 电 源 控 制 电 路 保护电路 谷 值 开 关 第一章 开关电源概述 一 开关型稳压电源的特点 1 稳压范围宽 性能优异的开关稳压电源 对电网的适应能力也有较大的提高 一般串联稳压电源允许电网波动范围为220V 10 而开关型稳压电源在电网电压从110V 260V范围内变化时 都可获得稳定的输出电压 2 重量轻 体积小 开关型稳压电源对电网交流电压直接整流滤波 省去了笨重的工频变压器 开关工作频率在几十千赫兹 因为工作频率高 滤波电容的容量也可以大大减小 而功耗小 散热器也随之减小 3 功耗小 可靠性高 开关电源很容易加入灵敏度高 可靠的过电压 过电流保护电路 在电源电路或负载电路工作异常时 快速切断电源 避免故障范围扩大 又由于功耗小 开关调整管一般不会过分发热 储能变压器发热也较轻 所以机内温升低 使整机的稳定性和可靠性极大的提高 4 滤波电容容量小 由于开关信号频率高 滤波电容的容量可大大减小 二 单片开关电源的应用领域 单片开关电源一经问世便显示出强大的生命力 目前以成为国际上开发290W以 下中 小功率开关电源 精密开关电源 特种开关电源以及电源模块的优选集成 电路 由它构成的开关电源 在成本上与同等功率的线性稳压电源相当 而电源 效率显著提高 体积和重量大约可减小1 3 1 2 展示了良好的应用前景 单片开关电源的主要应用领域如下 1 通用开关电源 各种通用开关电源 开关电源模块 精密开关电源模块 智能化开关电源模块 2 专用开关电源 微机 USB接口电源 彩电 录象机 VCR 摄录象机 CVCR 个人数字助理 PDA LCD监视器 DVD刻录驱动等高档家用电器中的待机电源 电子仪器仪表中的电源 调制解调器电源 IC卡付费电度表中的小型化开关电源模块 机顶盒 Set top Box 电源 手机 MP3 DVD播放器的电池充电器 AC DC电源适配器 辅助电源等 3 特种开关电源 复合型开关电源 恒压 恒流型开关电源 截流输出型开关电源 恒功率输出型开关电源 功率因数校正器 PFC 其他类型的特种开关电源 766 TEA1520集成开关稳压电源设计 第二章 TEA1520系列单片开关电源设计要点 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 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 一 交流输入电压的最小值及最大值 交流输入电压的最小值 Umin 和最大值 Umax 可根据表一进行选择 表一 交流输入电压的最小值和最大值 单位 V 交流输入电压u umin umax 固定输入 110 80 135 固定输入 230 195 276 宽范围输入 80 275 80 276 二 输出整流滤波电路 在不考虑整流管压降损耗的情况下 桥式整流器输出脉动电压的平均值为U 有 关系式 U 0 9u 加上滤波电容CIN 之后 不仅能起到平滑的作用 减小脉动系数 还可提高U值 当CIN选好之后 可认为U 1 2u CIN的容量可根据表二来确定 CIN的容量适当取大些 不仅能改善滤波效果 还有助于提高电源效率 表二 确定CIN的容量 交流输入电压u V 比例系数 uF W CIN的容量 uF 固定输入 110 3 3Po 固定输入 230 1 1Po 宽范围输入 80 275 3 3Po 三 漏极保护电路及效率损耗 漏极保护电路的类型及效率损耗情况见表三 由表可见 利用瞬态电压抑制器 TVS 和超快恢复二极管 SRD 构成的钳位电 路效果最好 其效率损耗为10 单纯由阻容元件构成的RC吸收回路效果较差 其效率损耗达20 其他外围电路的效率损耗约占5 表三 漏极保护电路的类型及效率损耗 保护电路的类型 所适用的输出功率范围Po W 所引起的效率损耗 TVS SRD型钳位电路 全部功率范围 10 R C和SRD型钳位电路 全部功率范围 15 R C型吸收回路 3 20 四 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 200k Hz 取R2 7 5k 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 五 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 2Po I2pf 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 0 2 LP IP2 SJBM2 3 式中 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 可参阅表四 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 1 EM EM 2 4 举例说明 现采用E13 7 4型磁芯 查表四可知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 0 2 LP IP2 SJBM2 0 2 3 14 1 8 3302 12 4 2752 0 11mm 查表四可知 EM 1 0 10mJ EM 2 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 表四 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 1 0 1mm 2 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 3 一次绕组匝数NP计算公式为 NP BM 104 2 IP 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 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 Uo UF3 NP nUo 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 Ucc UF2 NS Uo UF2 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 六 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 URI IP 0 5 IP 8 当IP 330mA时 由式 8 计算出RI 1 5 其最大功耗P IPURI 0 165W 实选0 5 W的电阻 七 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k 取UO 5V n NP NS 134 8 16 75 17 将nUO 85V 代入式 9 中不难算出 RAUX 60k 图七中实取75k 八 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 TEA1520集成开关稳压电源设计 第三章 TEA1520系列单片开关电源的原理和应用 TEA1520系列采用了先进的节能技术和制作工艺 被誉为 绿色芯片 Green Chip 并统称为 STARplug 产品 其中 TEA1520系列是按照交流80 276V的国 际通用电源标准而设计的 对于我国和欧洲均适用 TEA1520系列适用于电池充电器 电源适配器 或机顶盒 DVD CD 摄录象机 CVCR 电视 监视器的备用电源 并可作为PC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 一 TEA1520系列的性能特点 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 关电源可以做的很小 因其体积与插头式电源适配器相仿 故被称做 STARplug 在英文中即 星形插头 之意 2 它属于工作在不连续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10 200KHz 典型值可取100KHz 开关频 率可从外部精确的调整 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 既脉宽调 制 PWM 模式 后者需通过R C振荡元件来校准开关频率 3 片内集成了一只耐压为650V的功率开关管 MOSFET 当环境温度为25 时 TEA1520 1521 1522 1523和1524的漏 源极导通电阻分别为48 24 12 6 5 3 4 它们的漏极极限电流依次为0 25A 0 5A 1A 2A 3A 4 具有完善的保护功能 包括独特的退磁保护 以及输出过电流保护 短路保护 输入过电压保护和过热保护 5 一次及二次绕组的反馈电路简单 可减少外围元件的数量 6 具有防静电放电 ESD 能力 可防止因受到人体静电放电而损坏芯片 对于标 准人体放电模型 它等效于100pF电容通过1 5K 串联电阻进行放电 除漏极最 高可承受1000V的放电电压之外 其余引脚能承受2500V的放电电压 对于标准 设备放电模型 可等效于200pF电容通过0 75 H电感和10 电阻进行放电 个引 脚能承受200V的放电电压 7 TEA1520系列的极限参数如下 电源极限电压Ucc 40V 功率开关管的漏 源击穿电压Uds 650V 振荡器输入端的极限电压Urc 3V 源极对地极限电压U s 5V 使用时必须留有足够的余量 二 TEA1520系列的工作原理 1 引脚功能 TEA1520系列有3种封装形式 DIP 8 对应于TEA1520P SO 14 TEA1520T 和DBS 9P TEA1522AJM 产品分类及最大输出功率详见表 1 该系列产品具有以下特点 引脚排列如图 一 所示 NC代表空脚 各引脚的功能如下 图 一 TEA1520系列的引脚排列图 a DIP 8封装 b SO 14封装 c DBS 9P封装 Ucc 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 公共地 即开关电源的功率地 RC 外接振荡电阻和振荡电容 用于设定开关频率 REG 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 控制端 C SGND 信号地 仅TEA1522AJN有此端 使用时该端应与GND连通 AUX 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 内部功率开关管 MOSFET 的漏极引出端 S 内部功率开关管 MOSFET 的源极引出端 2 内部框图 TEA1520系列弹片开关电源的内部框图如图 二 所示 主要包括以下10部分 内部电源 振荡器 2 5V基准电压源 Uref 增益为20dB的误差放大器 脉宽调制器 即PWM比较器 主控门DA 驱动级和功率开关管 MOSFET 谷值开关电路 仅DIP 8封装和SO 14封装的产品有此电路 控制逻辑 保护逻辑及保护电路 含过电流保护电路 由外部过电流检测电阻Rs与比较器 所组成 短路保护电路 Rs 比较器 上电复位电路及过热保护电路 退磁电路 VD1 VD2和比较器 前沿闭锁电路 可避免尖峰电流引起误触发 图 二 TEA1520系列开关电源的内部框图 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 5V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小于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 3 TEA1520系列的主要功能电路的工作原理 3 1 控 制 电 路 控制电路的基本结构如图 三 所示 R C分别为振荡电阻与振荡电容 令RC引脚的电压为Urc 其最大值为2 5 V 最小值为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 5 的时间 是时间常数 振荡频率的计算公式为 F 1 3 5 1 3 5RC 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Uj Uj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随之改变 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 TEA1520集成开关稳压电源设计 图 三 控制电路的基本结构 3 2 保 护 电 路 1 过电流保护 在源极与地之间接入过电流检测电阻Rs 就和比较器 构成过电 流保护电路 当漏极电流超过极限电流时 Urs大于0 5V 比较器 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 短路是比过电流更为严重的一种故障 一旦Urs大 于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 此时 短路保护电路迅速起作用 比较器 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 过电压保护 当Ureg大于7 5V时 就进行钳位保护 3 3 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 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 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 当UF 80V时 功率开关管的导通角 与振铃频率 fringing 的关系曲线 如图5所示 TEA1520系列的振铃频率范围是200kHz 800kHz 查关系曲线知 当 fringing 480kHz时 0 此时UD达到最小值 而MOSFET关断 当fringing 200kHz时 33 这时在谷值开关信号的作用之下 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 三 TEA1520系列的典型的应用 3 4由TEA1522T构成的3W精密开关电源 由TEA1522T构成的3W精密开关电源电路如图 六 所示 其外围电路主要由八部分组成 输入单元电路 R1 UR C1 L1和C2 钳位保护电路 VS1 VD1 输出单元电路 VD3 C3 L2和C4 振荡电路 R2 C5 过电流检测电路 RI 供电电源电路 VD2 R4和C7 光耦精密反馈电路 TL431 SFH6106 2 R5和R6等 退磁电路 Raux TEA1522T配80 276V交流电源时 最大输出功率可达7W 该电路的主要特点是 1 电路中有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IN6008B型稳压管 一旦Ucc大于22V 可起到钳位保护作用 一次侧的钳位保护电路由VS1和VD1所组成 其中 VS1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V D1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PCB17A来代替 高频变压器采用EE13型磁心 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 于TL431内部的2 5V基准电压进行比较之后 使K点电位升高 发光二极 管的工作电流减小 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 R1为过电流检测电阻 Raux为退磁检测电阻 R7和R8是发光二极管的限流电阻 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 TEA1520集成开关稳压电源设计 图 四 TEA1522构成的3W精密开关电源电路 结 束 语 岁月荏苒 青春行走在时间的河岸 渐行渐远 初夏又至 七月的脚步也已走近 弹指一挥间 三年的大学生活即将结束 花开花落 循环往复 不知不觉中三年 的大学生活将划上圆满的句号 此时此刻 是喜是忧 是满怀信心 是不知所措 是对校园的百倍眷恋 还是对这一天期盼已久 千头万绪 又岂是只言片语能 表达的 单片开关电源克服了以往开关电源设计中外围元件和辅助电路复杂 设计周期 长的弊端 有力地促进了开关电源的高效化 模块化 小型化和轻量化 本文采用TOP224Y 研制了一