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

　中图分类号：TN86  文献标识码：A  文章编号：0219－2713(2003)1·2－0006－03

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U_I，给高频变压器一次侧供电。由VD_Z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U_O。反馈绕组电压U_F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U_CC，再经过R₃、R₄分压后得到反馈电压U_REG，加至TEA1520的脚4；另一路则通过退磁电阻R_AUX接脚5。R₅和C₄分别为振荡电阻、振荡电容。R_I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U_CC-REG端之间并联一只反向击穿电压为22V的1N6008B型稳压管，一旦U_CC>22V，可起到钳位保护作用。

    一次侧的钳位保护电路由VD_Z1和VD₁所组成。其中，VD_Z1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N_P=134匝，其电感量L_P=1.8mH。二次绕组匝数N_S=8匝，反馈绕组匝数N_F=22匝。

    该电源具有良好的稳压性能。举例说明，当U_O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U_REG升高，令TEA1522T的输出占空比增大，迫使U_O升高，恢复到稳定值，从而达到了稳压的目的。R_I为过流检测电阻，R_AUX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（P_D）与电源电压（u）的关系曲线如图3所示。由图3可见，P_D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（P_O）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L_P

    计算L_P的公式为

        L_P=   （1）

式中：I_P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（E_M）由下式确定：

      E_M=10^－6I_P²L_P      （2）

式中：I_P、L_P的单位分别取mA、mH，E_M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；

      S_J为磁芯有效截面积（单位是mm²）；

       B_M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

      E_M（δ₁）≤E_M≤E_M（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S_J=12.40mm²。已知L_P=1.8mH，B_M=275mT，令I_P=330mA，分别代入式（2）和式（3），计算出

      E_M=10^－6I_P²L_P=10^－6×330²×1.8=0.19mJ

         δ===0.11mm

查表1可知，E_M（δ1）=0.10mJ，E_M（δ2）=0.23mJ，而算出的E_M=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N_P计算公式为

        N_P=     （5）

根据计算结果找出一个最接近于N_P值的整数值，作为一次绕组的实际匝数。将δ=0.1mm，B_M=275mT，I_P=330mA，代入式（5）中，得到N_P=133.2匝≈134匝。

    4）二次绕组匝数N_S

    按下式计算N_S并取整数值

        N_S=·N_P     （6）

式中，U_F3为输出整流管的正向压降。实取U_O=5V，U_F3=0.4V（采用肖特基二极管），n=17，N_P=134匝，代入式（6）中求出N_S=8.5匝，取整数值8匝。

    5）反馈绕组匝数N_F

    当电源电压U_CC确定后，可按下式计算N_F值

         N_F=·N_S   （7）

将U_CC=15V，U_O=5V，U_F2=0.7V代入式（7）中求得，N_F=22.04匝，取整数值22匝。

3.3  计算过流检测电阻R_I

    过流检测电阻用来限定I_P值，亦即MOSFET的最大漏极电流I_D(max)。R_I上最大压降的典型值为U_RI=0.5V。R_I的阻值可用下式求出

       R_I≤=       （8）

    当I_P=330mA时，由式（8）计算出R_I=1.5Ω。其最大功耗P=I_PU_RI=0.165W，实选0.5W的电阻。

3.4  计算退磁电阻R_AUX

    计算退磁电阻的公式为

      R_AUX=0.7nU_O     （9）

式（9）中电阻的单位是kΩ。取U_O=5V，n=N_P／N_S=134/8=16.75≈17，将nU_O=85V代入式（9）中不难算出，R_AUX=60kΩ。图2中实取75kΩ。

3.5  确定电源电压U_CC

    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

       U_CC=·(U_O＋U_F2)－U_F2    （10）

式中的U_F2代表反馈电路中整流管VD₂的正向压降。将N_F=22匝，N_S=8匝，U_O=5V，U_F2=0.7V一并代入式（10）中，得到U_CC=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.

作者简介

    沙占友(1944－)，男，河北科技大学信息学院电子信息工程系教授（享受国务院政府特殊津贴，河北省优秀教师），已出版专著18部，发表学术论文185篇，主要研究方向为数字化测量技术、仪器仪表及特种电源。