TEA第三代綠色開(kāi)關(guān)電源

1、TEA1750第三代綠色開(kāi)關(guān)電源（GreenChip III SMPS）控制器摘要：NXP公司（飛利浦創(chuàng)立）推出第三代綠色開(kāi)關(guān)電源（SMPS）控制器系列IC（Green Chip III），這些控制器的共同特點(diǎn)是在芯片上高度集成了功率因數(shù)校正（PFC）和反激式（flyback）控制器。基于Green Chip III控制IC的SMPS，提供了低成本高性能解決方案，具有綠色特征和全方位保護(hù)功能。該文以TEA1750為例，介紹了Green Chip III控制IC的特點(diǎn)、應(yīng)用電路和工作原理。關(guān)鍵詞：TEA1750；Green Chip III；SMPS；PFC；綠色；保護(hù)1、概述為滿(mǎn)足IEC610

2、00-3-2標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于交流（AC）輸入電流諧波限制要求和"能源之星"等規(guī)范相關(guān)規(guī)定，離線（off-line）開(kāi)關(guān)電源（SMPS）采用功率因數(shù)校正（PFC）已成發(fā)展趨勢(shì)。NXP公司（由飛利浦創(chuàng)立）近期推出第三代綠色SMPS控制器系列IC（Green Chip III），具有PFC和綠色特征，輸出功率可達(dá)250W，尤其適用于筆記本適配器、42英寸以下LCD TV電源等。Green Chip III系列控制IC集成了PFC和反激式控制器，在應(yīng)用中僅需外加很少量的元件，為設(shè)計(jì)高效率、高性能和高可靠電源提供了一種低成本解決方案。TEA1750是Green Chip III系列IC中的一

3、種代表性器件，本文僅以TEA1750為例，來(lái)說(shuō)明Green Chip III控制IC的特點(diǎn)、應(yīng)用電路及工作原理。2、TEA1750的引腳功能及其特點(diǎn)2.1  引腳功能TEA1750采用16引腳塑料小外形封裝，引腳排列如圖1所示。附表給出了TEA1750的各個(gè)引腳功能。附表  TEA1750引腳功能2.2  主要特點(diǎn)TEA1750集成了PFC與反激式控制器，能在70276VAC的通用AC線路上操作。  綠色特征TEA1750芯片上含有啟動(dòng)電流源，具有綠色高能效特點(diǎn)。（1）PFC綠色特征·谷值（valley）與零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS），有最小的開(kāi)關(guān)損耗

4、（專(zhuān)利技術(shù)）；·頻率限制能夠減小開(kāi)關(guān)損耗；·當(dāng)反激輸出上低功率電平（輕載）被檢測(cè)時(shí)，進(jìn)入突發(fā)模式操作，以獲得高效率（專(zhuān)利技術(shù)）。（2）反激式轉(zhuǎn)換器綠色特征·谷底開(kāi)關(guān)有最小的開(kāi)關(guān)損耗（專(zhuān)利技術(shù)）；·在低功率電平上，反激式控制器切換到頻率降低模式，將電流限制在最大峰值電流的25%電平上，從而獲得高效率。2.2.2  保護(hù)特征·對(duì)于系統(tǒng)故障安全重新啟動(dòng)；·對(duì)PFC與反激式變換器，通過(guò)去磁檢測(cè)進(jìn)行不間斷保護(hù)；·兩個(gè)（PFC/反激式）變換器過(guò)電壓保護(hù)（OVP）；·環(huán)路開(kāi)路保護(hù)；·IC過(guò)溫度（保護(hù)門(mén)限是14

5、0±10）保護(hù)（OTP）；·過(guò)電流保護(hù)（OCP）；·軟啟動(dòng)；·PFC軟停止；·AC線路欠電壓和電壓過(guò)低保護(hù)；·一般目的輸入鎖存（Latched）保護(hù)。 3、應(yīng)用電路與工作原理基于TEA1750帶PFC的反激式SMPS電路如圖2所示。這種離線式SMPS的AC輸入電壓范圍為70276VAC，輸出功率可達(dá)250W。3.1  一般控制  電路啟動(dòng)與欠電壓鎖定（UVLO）接通AC電源后，電流從高壓引腳HV（16）流入，從引腳VCC（1）流出，對(duì)電容CVCC充電。當(dāng)VCC引腳上的電壓超過(guò)啟動(dòng)電平Vstartup=22V時(shí)，控制

6、邏輯激活內(nèi)部電路，切斷充電電流，引腳LATCH（5）被激活。當(dāng)引腳LATCH上的電壓超過(guò)Ven(LATCH)=1.35V時(shí)，在引腳PFCSENSE（11）上的軟啟動(dòng)電容（CSS1）被充電，PFC電路被激活，施加到引腳HV（16）上的電流再次接通，PFC電路對(duì)PFC輸出總線電容Cbus充電。當(dāng)IC引腳VOSENSE（9）上的電壓達(dá)到Vstart(fb)=1.72V時(shí)，充電電流被切斷，反激（flyback，即回掃）變換器被激活這是在引腳FBSENSE（10）上的軟啟動(dòng)電容CSS2充電的結(jié)果，其輸出電壓Vout調(diào)整到它的正常值，如圖3所示。反激式轉(zhuǎn)換器輸出Vout經(jīng)穩(wěn)壓二極管和光電耦合器反饋到控制I

7、C的引腳FBCTRL（3）。如果Vout達(dá)不到規(guī)定穩(wěn)壓電平，而引腳3上的電壓達(dá)到Vto(FBCTRL)=2.5V，TEA1750將會(huì)開(kāi)始安全重新啟動(dòng)。如果保護(hù)功能有其中一個(gè)被觸發(fā)，兩個(gè)變換器將停止開(kāi)關(guān)，并且VCC電壓降至Vth(UVLO)=15V。一個(gè)鎖定保護(hù)將經(jīng)過(guò)引腳HV重新對(duì)VCC電容CVCC充電，但不會(huì)重新啟動(dòng)變換器。對(duì)于安全重新啟動(dòng)保護(hù)，將經(jīng)引腳HV重新對(duì)電容充電，使器件重新啟動(dòng)，如果IC引腳9上的電壓>VOVP（VOSENSE）=2.63V，PFC過(guò)電壓保護(hù)（OVP）被激活，IC的PFC控制器將停止開(kāi)關(guān)，直到IC引腳9上的電壓降至2.63V以下。如果AC線路欠電壓，在IC引腳7

8、上的電壓一旦低于Vstop（VINSENSE）=0.89V，PFC控制器也將停止開(kāi)關(guān)，直到IC引腳7上的電壓>Vstart(VINSENSE)=1.15V后才會(huì)重新開(kāi)始運(yùn)行。當(dāng)VCC電壓降至欠電壓封鎖電平Vth(UVLO)=15V以下時(shí)，PFC和反激式控制器都會(huì)停止開(kāi)關(guān)，并重新進(jìn)入安全再啟動(dòng)模式。在安全重新啟動(dòng)模式，IC驅(qū)動(dòng)器輸出被阻斷，VCC電容CVCC經(jīng)引腳HV和VCC重新被充電。  鎖存輸入與快速鎖存復(fù)位IC引腳LATCH（5）可用于關(guān)斷變換器。只要該引腳上的電壓降至1.25V以下，PFC與反激式變換器將停止開(kāi)關(guān)。在開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)，開(kāi)關(guān)被禁止，直到引腳5上的電壓升至1.35V

9、以上。在應(yīng)用中，為復(fù)位鎖存保護(hù)，可將AC輸入短暫中斷。只要IC引腳7上的電壓降至750mV以下，然后再升高到870mV以上，鎖存保護(hù)就會(huì)復(fù)位。如果去除IC引腳VCC或HV上的電壓，鎖存保護(hù)也將復(fù)位。  過(guò)溫度保護(hù)（OTP）只要芯片結(jié)溫超過(guò)130（典型值）熱關(guān)閉溫度，IC則停止開(kāi)關(guān)。一旦OTP被激活，VCC電容CVCC不會(huì)重新被充電。如果VCC電壓不足，OTP電路將從引腳HV供電。當(dāng)溫度降至120（典型值）以下時(shí)，IC將會(huì)重新開(kāi)關(guān)。OTP是一種鎖存保護(hù)，通過(guò)去除IC引腳VCC和HV上的電壓可將其復(fù)。3.2  PFC電路PFC電路帶谷值開(kāi)關(guān)的準(zhǔn)諧振模式（QRM）或不連續(xù)導(dǎo)電模式

10、（DCM），采用導(dǎo)通時(shí)間ton控制，使AC輸入電流諧波減小在IEC61000-3-2關(guān)于D類(lèi)設(shè)備的限制要求之內(nèi)。  谷值開(kāi)關(guān)和頻率限制升壓電感器L有一個(gè)輔助繞組（即變壓器副繞組），它一端接地，一端經(jīng)電阻RAUX1連接到IC的引腳8（PFCAUX）。在變壓器退磁之后，PFC開(kāi)關(guān)S1（MOSFET）導(dǎo)通。IC引腳3檢測(cè)變壓器次級(jí)行程的結(jié)束和PFC MOSFET上的電壓。在PFC MOSFET漏-源極之間電壓最小時(shí)，下一個(gè)行程（stroke）則開(kāi)始（即谷底開(kāi)關(guān)），這樣就可以減小開(kāi)關(guān)損耗和EMI。如果沒(méi)有退磁信號(hào)被IC引腳3檢測(cè)，在PFC柵極信號(hào)（引腳12）結(jié)束后，IC將產(chǎn)生一個(gè)50s的零電

11、流信號(hào)（ZCS）。如果沒(méi)有谷值信號(hào)被IC引腳3檢測(cè)，在退磁檢測(cè)之后，控制IC將產(chǎn)生一個(gè)4s的谷值信號(hào)。PFC開(kāi)關(guān)頻率被限制在125KHz的最大值上。對(duì)于準(zhǔn)諧振操作，如果頻率高于125KHz，PFC電路將轉(zhuǎn)換到DCM操作，PFC MOSFET仍然履行谷底開(kāi)關(guān)。  AC線路電壓感測(cè)與補(bǔ)償AC線路輸入電壓由IC引腳7感測(cè)，引腳7外部?jī)蓚€(gè)電阻和一個(gè)電容用作輸入電壓分壓采樣和濾波。IC引腳7內(nèi)部含有補(bǔ)償電路，在70276VAC的整個(gè)輸入電壓范圍上，能使調(diào)節(jié)環(huán)路帶寬保持恒定，在負(fù)載變化時(shí)產(chǎn)生快速響應(yīng)。在應(yīng)用中，IC引腳PFCCOMP（6）外部的一個(gè)電阻和兩個(gè)電容設(shè)定調(diào)節(jié)環(huán)路的帶寬。  

12、  軟啟動(dòng)PFC級(jí)電路軟啟動(dòng)功能由PFC開(kāi)關(guān)S1源極與引腳11外部電阻RS1之間的CSS1和RSS1來(lái)履行，軟啟動(dòng)時(shí)間tPFC（SS）=3?RSS1?CSS1。只要IC引腳11上的電壓低于0.5V，內(nèi)部60A的電流源則對(duì)CSS1充電。當(dāng)引腳11上的電壓超過(guò)0.5V時(shí)，軟啟動(dòng)電流被限制。只要PFC開(kāi)始開(kāi)關(guān)，軟啟動(dòng)電流源則被切斷。  突發(fā)模式控制當(dāng)反激式變換器輸出功率較低時(shí)，反激變換器將轉(zhuǎn)換到頻率降低模式，PFC電路則進(jìn)入突發(fā)模式控制。在突發(fā)模式，PFC電路開(kāi)關(guān)被禁止，直到在IC引腳VOSENSE（9）上的電壓降落到Vburst(L)=1.92V。只要IC引腳9上的電壓達(dá)到Vb

13、urst(H)=2.24V，軟啟動(dòng)電路被激活。在突發(fā)模式操作期間，IC引腳PFCCOMP（8）上的電壓被箝位在2.7V與3.9V之間。低箝位電壓限制最大功率，高箝位電壓在從突發(fā)模式恢復(fù)時(shí)保證PFC電路可以返回到它的正常調(diào)節(jié)點(diǎn)。只要反激式變換器脫離頻率降低模式，PFC電路將重新恢復(fù)正常操作。為防止PFC電路連續(xù)導(dǎo)通和關(guān)斷，在IC引腳FBCTRL（3）上內(nèi)建50mV的滯后。圖4為突發(fā)模式控制波形。  PFC保護(hù)過(guò)電流保護(hù)：通過(guò)IC引腳PFCSENSE（11）感測(cè)PFC開(kāi)關(guān)S1源極串聯(lián)電阻RSENSE1上的電壓（最大值是0.52V），可以實(shí)現(xiàn)最大峰值電流逐周限制。AC線路電壓不足或過(guò)低保護(hù)

14、：控制器引腳7感測(cè)AC線路電壓，只要引腳7上的電壓低于Vstop(VINSENSE)=0.89V，PFC開(kāi)關(guān)則停止。當(dāng)AC線路電壓不足使PFC輸出總線電壓降低時(shí)，只要IC引腳9（VOSENSE）上的電壓低于Vstart(fb)=1.72V，反激變換器將截止。當(dāng)AC線路電壓恢復(fù)到正常范圍時(shí)，兩個(gè)變換器將重新啟動(dòng)。過(guò)電壓保護(hù)：PFC輸出電壓Vbus經(jīng)電阻分壓器被引腳VOSENSE（9）感測(cè)。只要引腳9上的電壓超過(guò)VOVP（VOSENSE）=2.63V，PFC電路開(kāi)關(guān)被禁止。當(dāng)引腳9上的電壓降至2.63V以下時(shí)，PFC開(kāi)關(guān)則重新開(kāi)始。PFC開(kāi)環(huán)保護(hù)：如果PFC反饋環(huán)路開(kāi)路，例如引腳VOSENSE（9

15、）懸浮，PFC開(kāi)關(guān)也被禁止。 3.3  反激（Flyback）電路  多模式操作在高輸出功率時(shí)，反激變換器轉(zhuǎn)換到準(zhǔn)諧振模式。在準(zhǔn)諧振模式，由于變換器在外部開(kāi)關(guān)S2（MOSFET）漏-源極上電壓最小值上導(dǎo)通（即谷值開(kāi)關(guān)），所以開(kāi)關(guān)損耗最小。在較低的負(fù)載上，為防止高頻操作，變換器從準(zhǔn)諧振模式變化到不連續(xù)模式，并帶谷值跳越，為降低EMI將開(kāi)關(guān)頻率限制在fsw(fb)(max)=125KHz上，如圖5所示。在非常低的功率和待機(jī)（standby）電平上，開(kāi)關(guān)頻率將降低。在無(wú)載時(shí)，反激變換器的開(kāi)關(guān)頻率可以降為零。在頻率降低模式，初級(jí)峰值電流保持在其最大值的25%的電平上，谷值開(kāi)關(guān)也被激

16、活，PFC控制器轉(zhuǎn)換到突發(fā)模式操作。  谷值開(kāi)關(guān)在外部MOSFET（S2）導(dǎo)通期間，是變壓器T2的初級(jí)行程，如圖6所示。在S2關(guān)斷之后，次級(jí)行程開(kāi)始。在次級(jí)行程之后，S2漏極電壓出現(xiàn)振蕩，產(chǎn)生振玲（ringing），振蕩頻率約為： 式中，LP是T2的初級(jí)自感；Cd是S2漏極節(jié)點(diǎn)上的電容。當(dāng)振蕩器電壓由低變高時(shí)，次級(jí)行程結(jié)束。在開(kāi)始新的初級(jí)行程之前，電路等待最小的漏極電壓。在最低的漏極電壓上，新的周期開(kāi)始（在圖6中的（1）處）。谷值開(kāi)關(guān)允許高頻操作，因?yàn)樵诟哳l上電容開(kāi)關(guān)損耗減小，可使用小的低成本的磁性元件。  電流模式控制為獲得良好的線性調(diào)節(jié)，反激變換器采用電流模式

17、控制。初級(jí)電流由RSENSE2感測(cè)，并由IC引腳FBSENSE（10）接收電流檢測(cè)信號(hào)。引腳10上的電流感測(cè)信號(hào)與內(nèi)部控制電壓進(jìn)行比較，內(nèi)部控制電壓正比于IC引腳FBCTRL（3）上的電壓。引腳3通過(guò)一個(gè)3k電阻連接一個(gè)3.5V的電壓源，當(dāng)引腳3上的電壓高于2.5V時(shí)，該電壓源則斷開(kāi)。當(dāng)引腳3上的電壓大于4.5 V時(shí)，意味著故障出現(xiàn)，開(kāi)關(guān)將停止。IC引腳3外部通過(guò)一個(gè)電阻RLOOP連接一個(gè)接地電容CTIMEOUT，提供超時(shí)功能，對(duì)開(kāi)路控制環(huán)路提供保護(hù)。在正常操作期間，IC引腳3上的電壓在1.4V到2.0V之間，對(duì)應(yīng)于最小到最大輸出功率。  退磁為了退磁計(jì)時(shí)和過(guò)電壓保護(hù)，反激變壓器T2

18、設(shè)置了一個(gè)輔助繞組。輔助繞組一端接地，另一端通過(guò)電阻RAUX2連接到引腳FBAUX（4）。退磁以逐周短路保護(hù)為特征，通過(guò)立刻降低頻率（較長(zhǎng)的關(guān)斷時(shí)間）來(lái)降低功率電平。在低輸出電壓和在啟動(dòng)時(shí)，退磁識(shí)別在開(kāi)始時(shí)的2s之內(nèi)被抑制。如果IC引腳4開(kāi)路或不連接，反激變換器則立即停止操作。軟啟動(dòng)為阻止啟動(dòng)期間T2產(chǎn)生可所見(jiàn)的噪聲，通過(guò)軟啟動(dòng)功能使T2初級(jí)峰值電流緩慢增加。連接在S2源極和IC引腳FBSENSE（10）之間的RSS2和CSS2，提供軟啟動(dòng)，軟啟動(dòng)時(shí)間tss(fb)3RSS2CSS2。當(dāng)VCC達(dá)到啟動(dòng)門(mén)限（22V）時(shí)，IC內(nèi)部軟啟動(dòng)電流（60A）就對(duì)CSS2充電。當(dāng)IC引腳VOSENSE（9）

19、上的電壓達(dá)到Vstart(fb)=1.72V和引腳10上的電壓達(dá)到0.5V時(shí)，反激變換器則開(kāi)始運(yùn)行，軟啟動(dòng)電流源被切斷。  保護(hù)最大導(dǎo)通時(shí)間限制：外部MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間被限制在25s。當(dāng)S2導(dǎo)通時(shí)間超過(guò)25s時(shí)，IC停止開(kāi)關(guān)并進(jìn)入安全重新啟動(dòng)模式。過(guò)電壓保護(hù)：輸出過(guò)電壓保護(hù)（OVP）通過(guò)T2次級(jí)行程期間感測(cè)輔助繞組上的電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。輔助繞組上的電壓被IC引腳FBAUX（4）感測(cè)并被內(nèi)部濾波器濾掉電壓尖峰。如果輸出電壓超過(guò)OVP解扣電平，IC內(nèi)計(jì)數(shù)器則開(kāi)始計(jì)算隨后的OVP過(guò)程。只要OVP解扣電平持續(xù)8個(gè)周期，S2將被關(guān)斷。若T2次級(jí)和輔助繞組匝數(shù)分別是NS和Naux，輸出OVP解扣電平為：過(guò)電流保護(hù)（OCP）：T2中初級(jí)