TEA1520系列节能型单片开关电源的原理
tea1520系列节能型单片开关电源的原理
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urur时，mosfet导通；当uj0.5v，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。
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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urur时，mosfet导通；当uj0.5v，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。
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