TEA1520系列节能型单片开关电源的原理

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。R、C分别为振荡电阻与振荡电容。令RC引脚的电压为U_RC，其最大值U_RC(max)=2.5V，最小值U_RC(min)=75mV（均为典型值）。当U_RC=2.5V时，就对C进行快速充电；然后C又对R进行放电，直到U_RC=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R、C充、放电过程中可产生近似于锯齿波的电压U_J，U_J送至PWM比较器的反相输入端，而误差电压U_r则加到同相输入端。当U_r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U_O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。U_r1、U_r2分别为低功率输出、高功率输出所对应的误差电压。t_ON为MOSFET的导通时间。由图2可见，当U_J>U_r时，MOSFET导通；当U_JU_r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C_D。由C_D和一次绕组电感L_P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：

f_ringing=（2）

显然，在MOSFET导通期间，由振铃频率所造成的功率损耗为：

P_ON=C_DU_D²f_ringing（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（U_V）与漏极电压、振铃电压的波形如图4所示。振铃电压（U_ringing）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U_O，反馈系数（即高频变压器的匝数比）为n，反馈绕组输出电压（U_F）由下式确定：

U_F=nU_O（4）

当U_F=80V时，功率开关管的导通角（θ）与振铃频率（f_ringing）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f_ringing=480kHz时，θ=0°，此时U_D达到最小值，而MOSFET关断。当f_ringing=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U_D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。R_AUX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R_AUX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R_S，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，U_RS>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U_RS>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T_jM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U_REG>7.5V时，就进行过压钳位保护。