基于TEA1755的綠色電源設(shè)計(jì)

上世紀(jì)80年代、90年代初的開(kāi)關(guān)電源由于半導(dǎo)體工藝技術(shù)的不成熟，電子設(shè)備終端系統(tǒng)的供電方式一般采用笨重、低效率的線(xiàn)性電源，到了90年代后期開(kāi)始大量使用開(kāi)關(guān)電源，但是那時(shí)代的開(kāi)關(guān)電源效率低、電磁干擾大、待機(jī)功耗高。但是隨著微電子與半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，各種電子產(chǎn)品終端設(shè)備對(duì)開(kāi)關(guān)電源提出更加嚴(yán)格要的技術(shù)指標(biāo)，要求開(kāi)關(guān)電源效率高、待機(jī)功耗低、可靠性高、功率密度高、電磁干擾要小等特點(diǎn)，而綠色電源也就應(yīng)用而生?？傮w而言，節(jié)能、對(duì)電網(wǎng)無(wú)噪聲污染、對(duì)其他電子設(shè)備不產(chǎn)生干擾就是所謂的綠色環(huán)保開(kāi)關(guān)電源。

1、綠色電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

隨時(shí)開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展，衍生了十多種的開(kāi)關(guān)電源拓?fù)洌總€(gè)拓?fù)涠加衅鋬?yōu)缺點(diǎn)。不同拓?fù)涞拈_(kāi)關(guān)電源，其工作原理存在明顯的區(qū)別，但是開(kāi)關(guān)電源的基本系統(tǒng)框架是不會(huì)變的，通常有六部分組成，如圖1所示。

圖1開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

第一部分是輸入濾波電路，它包含電磁干擾抑制電路、一次整流濾波電路，其中電磁干擾抑制電路作用為：一是防止電網(wǎng)噪聲、電網(wǎng)浪涌通過(guò)電源輸入線(xiàn)串入，影響開(kāi)關(guān)電源的穩(wěn)定性;二是抑制開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部由于高頻通斷產(chǎn)生的噪聲通過(guò)電源線(xiàn)向電網(wǎng)反饋的噪聲;第二部分功率因數(shù)校正控制電路，該電路可以提高開(kāi)關(guān)電源的輸入功率因數(shù)，減少對(duì)電網(wǎng)的電磁污染。一般分為有源功率因數(shù)和無(wú)源功率因數(shù)兩種;第三部分為PWM控制電路，也可以描述為功率轉(zhuǎn)換控制電路，該電路把高功率因數(shù)的直流電壓轉(zhuǎn)換受控制的高頻PWM脈沖電壓，由變壓器T磁通耦合到輸出端;第四部分為保護(hù)電路，提高開(kāi)關(guān)電源的可靠性，滿(mǎn)足各種惡劣環(huán)境;第五部分為輸出濾波和輸出控制電路，該電路實(shí)現(xiàn)平滑輸出電壓和穩(wěn)定輸出電壓。

2、基于TEA1755綠色電源設(shè)計(jì)

2.1、TEA1755簡(jiǎn)介

TEA1755是一款高度集成化、外圍電路元器件少，其最要特點(diǎn)在于集成功率校正控制器PFC、反激式控制器PWM的IC，從而實(shí)現(xiàn)高性?xún)r(jià)比的開(kāi)關(guān)電源。在最大功率輸出時(shí)，反激式變換器工作在QR或者具備谷底開(kāi)關(guān)的DCM模式;在中等功率時(shí)，反激式控制器進(jìn)去FR降頻模式并把峰值電流限制在一個(gè)可調(diào)節(jié)的最小值上;在低功率時(shí)，PFC關(guān)閉來(lái)獲取高的效率;在輕載時(shí)，反激式變換器開(kāi)關(guān)頻率降至25kHz以下，反激式變化器進(jìn)入burst突發(fā)模式。在沒(méi)有開(kāi)關(guān)脈沖的burst模式中，芯片內(nèi)置供電電流被進(jìn)一步限制在最小以獲取高的效率，先進(jìn)的burst模式保證了輕載時(shí)的高效率和良好的待機(jī)功耗，并降低了變壓器噪音。

2.2、設(shè)計(jì)舉例

假設(shè)需要設(shè)計(jì)一個(gè)75W的反激變換器，已知以及預(yù)設(shè)的參數(shù)如下：

輸入電壓Vin：85~265VAC;

PFC功率因數(shù)：≥97%;

輸出電壓Vo：24VDC;

輸出電流Io：3.2A;

輸出功率Po：75W;

效率η：≥88%。

2.2.1、輸入電磁濾波設(shè)計(jì)

圖2 輸入EMI濾波電路

電阻R1、R2選擇原則是：在電容C1、C2的容值具有足夠選擇余地時(shí)，電阻值越小越好。假設(shè)，電阻R1、R2特定功率為PR，電阻兩端的最高輸入電壓為Vinm，則有：

如：設(shè)PR=0.5W，Vinm=300V，則R1+R2≥300K，可取R1、R2=200K。

另外在選擇電阻R1、R2的額定功率時(shí)，要考慮從電網(wǎng)串入，經(jīng)防雷擊保護(hù)電路后的浪涌殘壓能量，其額定功率為瞬時(shí)功耗的四分之一倍。設(shè)殘壓為1200V，則R1、R2還應(yīng)滿(mǎn)足：

將PR=0.5W代入上式得電阻R1+R2≥720K，所以取電阻R1、R2=200K不滿(mǎn)足這一條件，綜合考慮應(yīng)取圖2輸入EMI濾波電路333電阻R1、R2=390K較合理。

X電容容量的選定：根據(jù)安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求，X電容容量強(qiáng)制要求當(dāng)輸入電源斷電時(shí)，必須在1s內(nèi)放電至安全電壓42.4V，則X電容取值參考如下公式：

將電阻R1、R2=390K代入X電容計(jì)算公式得：Cx小于0.58μF，取標(biāo)準(zhǔn)容值Cx=0.47μF，如圖2所示的電路中，取C1=C2=0.2μF。選擇X電容時(shí)還要考慮其最大的承受耐壓，由于X電容在電源線(xiàn)輸入端，所以必須具備承受瞬態(tài)高壓的能力。

Y電容容量的選定：根據(jù)安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求，強(qiáng)制規(guī)定Y電容在標(biāo)稱(chēng)輸入電壓時(shí)，各相線(xiàn)對(duì)大地的漏電流小于3.5mA，假Y電容為Cy，則有：

上式中：fo為交流輸入電壓的工頻頻率，代入上式可得Cy=C3//C4//C24//C30《0.056μF，由于開(kāi)關(guān)電源機(jī)殼與大地間存在分布電容，所以存在漏電流，則取Cy要比實(shí)際計(jì)算值要小，取Cy=0.047μF。

在實(shí)際使用中，由于電容的容抗在不同的頻率下呈現(xiàn)不同的特性，特別是在超高段，容抗幾乎相同，所以一般采用多個(gè)小容量的電容過(guò)并聯(lián)，滿(mǎn)足總?cè)萘恳蟆?/p>

2.2.2、PFC設(shè)計(jì)

PFC控制通過(guò)谷值檢測(cè)，使其工作在QR或是DCM模型;PFC工作最大頻率為139kHz，當(dāng)工作頻率低于139kHz時(shí)需要多個(gè)谷值檢測(cè)，確保PFC開(kāi)關(guān)管在零電流時(shí)關(guān)斷，提高轉(zhuǎn)換效率。PFC的輸出不同的電壓，可以由輸入電壓調(diào)制后的PFC控制。PFC輸出電壓必須大于輸入整流濾波后的電壓，當(dāng)PFC的最低輸出值為250VDC，那么輸入電壓的臨界切換值為：

所以PFC電感的次級(jí)匝數(shù)Na為：

考慮最大電壓安全范圍，選擇Na=2。

2.2.3、變壓器、共模電感設(shè)計(jì)

反激變壓器相當(dāng)于一個(gè)儲(chǔ)能電感，它決定開(kāi)關(guān)電源PWM的占空比D和最大峰值電流。在設(shè)計(jì)反激式變壓器，要求在最?lèi)毫拥妮斎搿⑤敵鰲l件下，選擇合適的工作點(diǎn)，可以使變壓器在全輸入電源范圍內(nèi)發(fā)熱量最小。按照設(shè)計(jì)要求，最大占空比Dmax計(jì)算如下：

初級(jí)平均電流：

選擇磁芯體積大小比Ve大的磁芯，磁芯的選擇一般要考磁芯散熱、EMI的問(wèn)題，磁芯的面積越大，鐵損越大;磁芯表面積越大，散熱能力越強(qiáng)。PQ磁芯的體積與熱輻射面表面積、線(xiàn)圈的繞組面積之間的比例是最佳的。所以對(duì)于給定輸出功率，PQ磁芯的溫升最小。另外，在同一輸出功率下，變壓器的體積最小，因其容積與線(xiàn)圈繞組面積之比最好。選擇PQ26/25型號(hào)的磁芯，其中Ve=6.53cm3、Ae=118mm2、ΔB=0.2T。初級(jí)繞組匝數(shù)：

2.2.4、PCB布局考慮

交流路徑的布局在開(kāi)關(guān)電源的PCB布局中是至關(guān)重要的，而DC路徑不是這樣的，而直流通路并非如此。在開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)處，由于電流基波的諧波非常豐富，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生輻射、開(kāi)關(guān)噪聲干擾，影響其他器件的正常工作，那么在布局PCB時(shí)，要特別留意一些關(guān)鍵的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)，如：開(kāi)關(guān)管、輸出整流二極管的交流電流通路的流向。主要有如下經(jīng)驗(yàn)：

(1)開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)處的銅皮走線(xiàn)要盡量小，不過(guò)要考慮散熱的問(wèn)題。IC的檢測(cè)腳及相關(guān)器件要遠(yuǎn)離，AC端地濾波環(huán)路也要遠(yuǎn)離開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn);

(2)高頻濾波電容器銅皮線(xiàn)，盡可能靠近IC，盡量短，粗，從而達(dá)到濾波效果

(3)初級(jí)地線(xiàn)的走法，一般分為4塊地：IC地、Vcc地、功率地、參考地，同地為一小整體布局，最后再與參考地單點(diǎn)連接。注(參考地---輸入電解電容地;功率地---開(kāi)關(guān)管地、大電流低;IC地---IC與外圍電路的地;Vcc地---輔助繞組地。)

(4)所有高頻環(huán)路電流，要盡量小;

(5)散熱問(wèn)題整體電源系統(tǒng)中有三部分散熱：開(kāi)關(guān)管、整流輸出管、變壓器;

(6)注意安規(guī)間距、高電壓爬電距離。

3、結(jié)論

綠色環(huán)保型開(kāi)關(guān)電源電路是微電子與半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展下的產(chǎn)物，高效率、對(duì)電網(wǎng)的電磁污染低、高可靠等特點(diǎn)符合國(guó)家的環(huán)保政策，能在市場(chǎng)上能獲得更加廣泛的應(yīng)用，產(chǎn)生價(jià)值。