基于TEA1755的绿色电源设计 - 全文

　　上世纪80年代、90年代初的开关电源由于半导体工艺技术的不成熟，电子设备终端系统的供电方式一般采用笨重、低效率的线性电源，到了90年代后期开始大量使用开关电源，但是那时代的开关电源效率低、电磁干扰大、待机功耗高。但是随着微电子与半导体技术的飞速发展，各种电子产品终端设备对开关电源提出更加严格要的技术指标，要求开关电源效率高、待机功耗低、可靠性高、功率密度高、电磁干扰要小等特点，而绿色电源也就应用而生。总体而言，节能、对电网无噪声污染、对其他电子设备不产生干扰就是所谓的绿色环保开关电源。

　　1、绿色电源系统结构与工作原理

　　随时开关电源技术的发展，衍生了十多种的开关电源拓扑，每个拓扑都有其优缺点。不同拓扑的开关电源，其工作原理存在明显的区别，但是开关电源的基本系统框架是不会变的，通常有六部分组成，如图1所示。

　　图1开关电源系统结构图

　　第一部分是输入滤波电路，它包含电磁干扰抑制电路、一次整流滤波电路，其中电磁干扰抑制电路作用为：一是防止电网噪声、电网浪涌通过电源输入线串入，影响开关电源的稳定性；二是抑制开关电源内部由于高频通断产生的噪声通过电源线向电网反馈的噪声；第二部分功率因数校正控制电路，该电路可以提高开关电源的输入功率因数，减少对电网的电磁污染。一般分为有源功率因数和无源功率因数两种；第三部分为PWM控制电路，也可以描述为功率转换控制电路，该电路把高功率因数的直流电压转换受控制的高频PWM脉冲电压，由变压器T磁通耦合到输出端；第四部分为保护电路，提高开关电源的可靠性，满足各种恶劣环境；第五部分为输出滤波和输出控制电路，该电路实现平滑输出电压和稳定输出电压。

　　2、基于TEA1755绿色电源设计

　　2.1、TEA1755简介

　　TEA1755是一款高度集成化、外围电路元器件少，其最要特点在于集成功率校正控制器PFC、反激式控制器PWM的IC，从而实现高性价比的开关电源。在最大功率输出时，反激式变换器工作在QR或者具备谷底开关的DCM模式；在中等功率时，反激式控制器进去FR降频模式并把峰值电流限制在一个可调节的最小值上；在低功率时，PFC关闭来获取高的效率；在轻载时，反激式变换器开关频率降至25kHz以下，反激式变化器进入burst突发模式。在没有开关脉冲的burst模式中，芯片内置供电电流被进一步限制在最小以获取高的效率，先进的burst模式保证了轻载时的高效率和良好的待机功耗，并降低了变压器噪音。

　　2.2、设计举例

　　假设需要设计一个75W的反激变换器，已知以及预设的参数如下：

　　输入电压Vin：85~265VAC；

　　PFC功率因数：≥97%；

　　输出电压Vo：24VDC；

　　输出电流Io：3.2A；

　　输出功率Po：75W；

　　效率η：≥88%。

　　2.2.1、输入电磁滤波设计

　　图2 输入EMI滤波电路

　　电阻R1、R2选择原则是：在电容C1、C2的容值具有足够选择余地时，电阻值越小越好。假设，电阻R1、R2特定功率为PR，电阻两端的最高输入电压为Vinm，则有：

　　如：设PR=0.5W，Vinm=300V，则R1+R2≥300K，可取R1、R2=200K。

　　另外在选择电阻R1、R2的额定功率时，要考虑从电网串入，经防雷击保护电路后的浪涌残压能量，其额定功率为瞬时功耗的四分之一倍。设残压为1200V，则R1、R2还应满足：

　　将PR=0.5W代入上式得电阻R1+R2≥720K，所以取电阻R1、R2=200K不满足这一条件，综合考虑应取图2输入EMI滤波电路333电阻R1、R2=390K较合理。

　　X电容容量的选定：根据安规标准要求，X电容容量强制要求当输入电源断电时，必须在1s内放电至安全电压42.4V，则X电容取值参考如下公式：

　　将电阻R1、R2=390K代入X电容计算公式得：Cx小于0.58μF，取标准容值Cx=0.47μF，如图2所示的电路中，取C1=C2=0.2μF。选择X电容时还要考虑其最大的承受耐压，由于X电容在电源线输入端，所以必须具备承受瞬态高压的能力。

　　Y电容容量的选定：根据安规标准要求，强制规定Y电容在标称输入电压时，各相线对大地的漏电流小于3.5mA，假Y电容为Cy，则有：

　　上式中：fo为交流输入电压的工频频率，代入上式可得Cy=C3//C4//C24//C30《0.056μF，由于开关电源机壳与大地间存在分布电容，所以存在漏电流，则取Cy要比实际计算值要小，取Cy=0.047μF。

　　在实际使用中，由于电容的容抗在不同的频率下呈现不同的特性，特别是在超高段，容抗几乎相同，所以一般采用多个小容量的电容过并联，满足总容量要求。

　　2.2.2、PFC设计

　　PFC控制通过谷值检测，使其工作在QR或是DCM模型；PFC工作最大频率为139kHz，当工作频率低于139kHz时需要多个谷值检测，确保PFC开关管在零电流时关断，提高转换效率。PFC的输出不同的电压，可以由输入电压调制后的PFC控制。PFC输出电压必须大于输入整流滤波后的电压，当PFC的最低输出值为250VDC，那么输入电压的临界切换值为：

　　所以PFC电感的次级匝数Na为：

　　考虑最大电压安全范围，选择Na=2。

　　2.2.3、变压器、共模电感设计

　　反激变压器相当于一个储能电感，它决定开关电源PWM的占空比D和最大峰值电流。在设计反激式变压器，要求在最恶劣的输入、输出条件下，选择合适的工作点，可以使变压器在全输入电源范围内发热量最小。按照设计要求，最大占空比Dmax计算如下：

　　初级平均电流：

　　选择磁芯体积大小比Ve大的磁芯，磁芯的选择一般要考磁芯散热、EMI的问题，磁芯的面积越大，铁损越大；磁芯表面积越大，散热能力越强。PQ磁芯的体积与热辐射面表面积、线圈的绕组面积之间的比例是最佳的。所以对于给定输出功率，PQ磁芯的温升最小。另外，在同一输出功率下，变压器的体积最小，因其容积与线圈绕组面积之比最好。选择PQ26/25型号的磁芯，其中Ve=6.53cm3、Ae=118mm2、ΔB=0.2T。初级绕组匝数：

　　2.2.4、PCB布局考虑

　　交流路径的布局在开关电源的PCB布局中是至关重要的，而DC路径不是这样的，而直流通路并非如此。在开关节点处，由于电流基波的谐波非常丰富，此时会产生辐射、开关噪声干扰，影响其他器件的正常工作，那么在布局PCB时，要特别留意一些关键的开关节点，如：开关管、输出整流二极管的交流电流通路的流向。主要有如下经验：

　　（1）开关节点处的铜皮走线要尽量小，不过要考虑散热的问题。IC的检测脚及相关器件要远离，AC端地滤波环路也要远离开关节点；

　　（2）高频滤波电容器铜皮线，尽可能靠近IC，尽量短，粗，从而达到滤波效果

　　（3）初级地线的走法，一般分为4块地：IC地、Vcc地、功率地、参考地，同地为一小整体布局，最后再与参考地单点连接。注（参考地---输入电解电容地；功率地---开关管地、大电流低；IC地---IC与外围电路的地；Vcc地---辅助绕组地。）

　　（4）所有高频环路电流，要尽量小；

　　（5）散热问题整体电源系统中有三部分散热：开关管、整流输出管、变压器；

　　（6）注意安规间距、高电压爬电距离。

　　3、结论

　　绿色环保型开关电源电路是微电子与半导体技术发展下的产物，高效率、对电网的电磁污染低、高可靠等特点符合国家的环保政策，能在市场上能获得更加广泛的应用，产生价值。