TEA1520系列单片开关电源的应用电路及设计要点
tea1520系列单片开关电源的应用电路及设计要点
摘要：首先介绍了tea1520系列在简易型开关电源、精密开关电源中的应用电路，然后介绍了其设计要点。
关键词：简易型开关电源；精密开关电源；设计；退磁
application circuits and design main points of
tea1520 family single-chip switching power supply
sha zhan-you, ma hong-tao, wang yan-peng
abstract:tea1520 series application circuits in simple switching power supply and precise switching power supply are introduced at first,then the main points in their designs are introduced.
keywords:simple switching power supply； precise switching power supply； design； demagnetization
1 简易型开关电源
由tea1520系列构成的简易型开关电源电路如图1所示。
图1由tea1520系列构成简易型开关电源的电路
为防止刚上电时输入滤波电容的充电电流过大，在交流电源输入端串联了一只负温度系数的热敏电阻r1（ntc）。br为整流桥。由c1、l和c2构成π型滤波器。交流电源电压u经过整流滤波后获得直流高压ui，给高频变压器一次侧供电。由vdz和vd1构成的钳位保护电路，可将漏感产生的尖峰电压衰减到安全范围内，避免损坏芯片。二次绕组电压通过vd3、c5整流滤波后，获得输出电压uo。反馈绕组电压uf分成两路：第一路经过vd2、r2、c3整流滤波后，给tea1520提供电源电压ucc，再经过r3、r4分压后得到反馈电压ureg，加至tea1520的脚4；另一路则通过退磁电阻raux接脚5。r5和c4分别为振荡电阻、振荡电容。ri是过流检测电阻，利用过流保护电路可限制漏极电流不超过极限值。c6为安全电容。
2 精密开关电源
由tea1522t构成的3w精密开关电源电路如图2所示。当配80～276v交流电源时，最大输出功率可达7w。与图1所示电路相比主要有以下区别：
图2 由tea1522t构成的3w精密开关电源电路
1）电路中增加了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1n6008b型稳压管，一旦ucc>22v，可起到钳位保护作用。
一次侧的钳位保护电路由vdz1和vd1所组成。其中，vdz1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vd1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pc817a来代替。高频变压器采用ee13型磁芯，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，与tl431内部的2.50v基准电压进行比较之后，使k点电位升高，led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。ri为过流检测电阻，raux为退磁电阻。r7和r8是led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。
当u=75～275v时，实测空载时的待机功耗（pd）与电源电压（u）的关系曲线如图3所示。由图3可见，pd最大不超过63mw，远低于100mw，这是tea1520系列产品的一大特点。开关电源输出功率（po）与开关频率（f）的关系曲线如图4所示，不难看出，在小功率输出时，开关频率随着输出功率的减小而迅速降低，这是此系列产品的另一显著特点。
图3 待机功耗与电源电压的关系曲线
图4 输出功率与开关频率的关系曲线
3 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－ⅱ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。
3.1 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～200khz。取r2=7.5kω、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。
3.2 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= （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
δ= （3）
式中：δ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1。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（δ1）≤em≤em（δ2） （4）
表1 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
δ1=0.1mm
δ2=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
举例说明，现采用e13／7／4型磁芯，查表1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 δ===0.11mm 查表1可知，em（δ1）=0.10mj，em（δ2）=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。 3）一次绕组匝数np计算公式为 np= （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δ=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=·np （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=·ns （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。 3.3 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≤= （8） 当ip=330ma时，由式（8）计算出ri=1.5ω。其最大功耗p=ipuri=0.165w，实选0.5w的电阻。 3.4 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kω。取uo=5v，n=np／ns=134/8=16.75≈17，将nuo=85v代入式（9）中不难算出，raux=60kω。图2中实取75kω。 3.5 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 ucc=·(uo＋uf2)－uf2 （10） 式中的uf2代表反馈电路中整流管vd2的正向压降。将nf=22匝，ns=8匝，uo=5v，uf2=0.7v一并代入式（10）中，得到ucc=15v。 参考文献 [1] 沙占友．单片开关电源技术讲座[j]．电源技术应用，2000,3(8)～(12). [2] 沙占友，陈书旺，葛家怡.tea1520系列节能型单片开关电源的原理[j].电源技术应用，2002,5(12):615～618.
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举例说明，现采用e13／7／4型磁芯，查表1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 δ===0.11mm 查表1可知，em（δ1）=0.10mj，em（δ2）=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。 3）一次绕组匝数np计算公式为 np= （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δ=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=·np （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=·ns （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。 3.3 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≤= （8） 当ip=330ma时，由式（8）计算出ri=1.5ω。其最大功耗p=ipuri=0.165w，实选0.5w的电阻。 3.4 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kω。取uo=5v，n=np／ns=134/8=16.75≈17，将nuo=85v代入式（9）中不难算出，raux=60kω。图2中实取75kω。 3.5 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 ucc=·(uo＋uf2)－uf2 （10） 式中的uf2代表反馈电路中整流管vd2的正向压降。将nf=22匝，ns=8匝，uo=5v，uf2=0.7v一并代入式（10）中，得到ucc=15v。 参考文献 [1] 沙占友．单片开关电源技术讲座[j]．电源技术应用，2000,3(8)～(12). [2] 沙占友，陈书旺，葛家怡.tea1520系列节能型单片开关电源的原理[j].电源技术应用，2002,5(12):615～618.
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