TEA第三代绿色开关电源

1、TEA1750第三代绿色开关电源（GreenChip III SMPS）控制器摘要：NXP公司（飞利浦创立）推出第三代绿色开关电源（SMPS）控制器系列IC（Green Chip III），这些控制器的共同特点是在芯片上高度集成了功率因数校正（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决方案，具有绿色特征和全方位保护功能。该文以TEA1750为例，介绍了Green Chip III控制IC的特点、应用电路和工作原理。关键词：TEA1750；Green Chip III；SMPS；PFC；绿色；保护1、概述为满足IEC610

2、00-3-2标准关于交流（AC）输入电流谐波限制要求和"能源之星"等规范相关规定，离线（off-line）开关电源（SMPS）采用功率因数校正（PFC）已成发展趋势。NXP公司（由飞利浦创立）近期推出第三代绿色SMPS控制器系列IC（Green Chip III），具有PFC和绿色特征，输出功率可达250W，尤其适用于笔记本适配器、42英寸以下LCD TV电源等。Green Chip III系列控制IC集成了PFC和反激式控制器，在应用中仅需外加很少量的元件，为设计高效率、高性能和高可靠电源提供了一种低成本解决方案。TEA1750是Green Chip III系列IC中的一

3、种代表性器件，本文仅以TEA1750为例，来说明Green Chip III控制IC的特点、应用电路及工作原理。2、TEA1750的引脚功能及其特点2.1  引脚功能TEA1750采用16引脚塑料小外形封装，引脚排列如图1所示。附表给出了TEA1750的各个引脚功能。附表  TEA1750引脚功能2.2  主要特点TEA1750集成了PFC与反激式控制器，能在70276VAC的通用AC线路上操作。  绿色特征TEA1750芯片上含有启动电流源，具有绿色高能效特点。（1）PFC绿色特征·谷值（valley）与零电压开关（ZVS），有最小的开关损耗

4、（专利技术）；·频率限制能够减小开关损耗；·当反激输出上低功率电平（轻载）被检测时，进入突发模式操作，以获得高效率（专利技术）。（2）反激式转换器绿色特征·谷底开关有最小的开关损耗（专利技术）；·在低功率电平上，反激式控制器切换到频率降低模式，将电流限制在最大峰值电流的25%电平上，从而获得高效率。2.2.2  保护特征·对于系统故障安全重新启动；·对PFC与反激式变换器，通过去磁检测进行不间断保护；·两个（PFC/反激式）变换器过电压保护（OVP）；·环路开路保护；·IC过温度（保护门限是14

5、0±10）保护（OTP）；·过电流保护（OCP）；·软启动；·PFC软停止；·AC线路欠电压和电压过低保护；·一般目的输入锁存（Latched）保护。 3、应用电路与工作原理基于TEA1750带PFC的反激式SMPS电路如图2所示。这种离线式SMPS的AC输入电压范围为70276VAC，输出功率可达250W。3.1  一般控制  电路启动与欠电压锁定（UVLO）接通AC电源后，电流从高压引脚HV（16）流入，从引脚VCC（1）流出，对电容CVCC充电。当VCC引脚上的电压超过启动电平Vstartup=22V时，控制

6、逻辑激活内部电路，切断充电电流，引脚LATCH（5）被激活。当引脚LATCH上的电压超过Ven(LATCH)=1.35V时，在引脚PFCSENSE（11）上的软启动电容（CSS1）被充电，PFC电路被激活，施加到引脚HV（16）上的电流再次接通，PFC电路对PFC输出总线电容Cbus充电。当IC引脚VOSENSE（9）上的电压达到Vstart(fb)=1.72V时，充电电流被切断，反激（flyback，即回扫）变换器被激活这是在引脚FBSENSE（10）上的软启动电容CSS2充电的结果，其输出电压Vout调整到它的正常值，如图3所示。反激式转换器输出Vout经稳压二极管和光电耦合器反馈到控制I

7、C的引脚FBCTRL（3）。如果Vout达不到规定稳压电平，而引脚3上的电压达到Vto(FBCTRL)=2.5V，TEA1750将会开始安全重新启动。如果保护功能有其中一个被触发，两个变换器将停止开关，并且VCC电压降至Vth(UVLO)=15V。一个锁定保护将经过引脚HV重新对VCC电容CVCC充电，但不会重新启动变换器。对于安全重新启动保护，将经引脚HV重新对电容充电，使器件重新启动，如果IC引脚9上的电压>VOVP（VOSENSE）=2.63V，PFC过电压保护（OVP）被激活，IC的PFC控制器将停止开关，直到IC引脚9上的电压降至2.63V以下。如果AC线路欠电压，在IC引脚7

8、上的电压一旦低于Vstop（VINSENSE）=0.89V，PFC控制器也将停止开关，直到IC引脚7上的电压>Vstart(VINSENSE)=1.15V后才会重新开始运行。当VCC电压降至欠电压封锁电平Vth(UVLO)=15V以下时，PFC和反激式控制器都会停止开关，并重新进入安全再启动模式。在安全重新启动模式，IC驱动器输出被阻断，VCC电容CVCC经引脚HV和VCC重新被充电。  锁存输入与快速锁存复位IC引脚LATCH（5）可用于关断变换器。只要该引脚上的电压降至1.25V以下，PFC与反激式变换器将停止开关。在开始启动时，开关被禁止，直到引脚5上的电压升至1.35V

9、以上。在应用中，为复位锁存保护，可将AC输入短暂中断。只要IC引脚7上的电压降至750mV以下，然后再升高到870mV以上，锁存保护就会复位。如果去除IC引脚VCC或HV上的电压，锁存保护也将复位。  过温度保护（OTP）只要芯片结温超过130（典型值）热关闭温度，IC则停止开关。一旦OTP被激活，VCC电容CVCC不会重新被充电。如果VCC电压不足，OTP电路将从引脚HV供电。当温度降至120（典型值）以下时，IC将会重新开关。OTP是一种锁存保护，通过去除IC引脚VCC和HV上的电压可将其复。3.2  PFC电路PFC电路带谷值开关的准谐振模式（QRM）或不连续导电模式

10、（DCM），采用导通时间ton控制，使AC输入电流谐波减小在IEC61000-3-2关于D类设备的限制要求之内。  谷值开关和频率限制升压电感器L有一个辅助绕组（即变压器副绕组），它一端接地，一端经电阻RAUX1连接到IC的引脚8（PFCAUX）。在变压器退磁之后，PFC开关S1（MOSFET）导通。IC引脚3检测变压器次级行程的结束和PFC MOSFET上的电压。在PFC MOSFET漏-源极之间电压最小时，下一个行程（stroke）则开始（即谷底开关），这样就可以减小开关损耗和EMI。如果没有退磁信号被IC引脚3检测，在PFC栅极信号（引脚12）结束后，IC将产生一个50s的零电

11、流信号（ZCS）。如果没有谷值信号被IC引脚3检测，在退磁检测之后，控制IC将产生一个4s的谷值信号。PFC开关频率被限制在125KHz的最大值上。对于准谐振操作，如果频率高于125KHz，PFC电路将转换到DCM操作，PFC MOSFET仍然履行谷底开关。  AC线路电压感测与补偿AC线路输入电压由IC引脚7感测，引脚7外部两个电阻和一个电容用作输入电压分压采样和滤波。IC引脚7内部含有补偿电路，在70276VAC的整个输入电压范围上，能使调节环路带宽保持恒定，在负载变化时产生快速响应。在应用中，IC引脚PFCCOMP（6）外部的一个电阻和两个电容设定调节环路的带宽。  

12、  软启动PFC级电路软启动功能由PFC开关S1源极与引脚11外部电阻RS1之间的CSS1和RSS1来履行，软启动时间tPFC（SS）=3?RSS1?CSS1。只要IC引脚11上的电压低于0.5V，内部60A的电流源则对CSS1充电。当引脚11上的电压超过0.5V时，软启动电流被限制。只要PFC开始开关，软启动电流源则被切断。  突发模式控制当反激式变换器输出功率较低时，反激变换器将转换到频率降低模式，PFC电路则进入突发模式控制。在突发模式，PFC电路开关被禁止，直到在IC引脚VOSENSE（9）上的电压降落到Vburst(L)=1.92V。只要IC引脚9上的电压达到Vb

13、urst(H)=2.24V，软启动电路被激活。在突发模式操作期间，IC引脚PFCCOMP（8）上的电压被箝位在2.7V与3.9V之间。低箝位电压限制最大功率，高箝位电压在从突发模式恢复时保证PFC电路可以返回到它的正常调节点。只要反激式变换器脱离频率降低模式，PFC电路将重新恢复正常操作。为防止PFC电路连续导通和关断，在IC引脚FBCTRL（3）上内建50mV的滞后。图4为突发模式控制波形。  PFC保护过电流保护：通过IC引脚PFCSENSE（11）感测PFC开关S1源极串联电阻RSENSE1上的电压（最大值是0.52V），可以实现最大峰值电流逐周限制。AC线路电压不足或过低保护

14、：控制器引脚7感测AC线路电压，只要引脚7上的电压低于Vstop(VINSENSE)=0.89V，PFC开关则停止。当AC线路电压不足使PFC输出总线电压降低时，只要IC引脚9（VOSENSE）上的电压低于Vstart(fb)=1.72V，反激变换器将截止。当AC线路电压恢复到正常范围时，两个变换器将重新启动。过电压保护：PFC输出电压Vbus经电阻分压器被引脚VOSENSE（9）感测。只要引脚9上的电压超过VOVP（VOSENSE）=2.63V，PFC电路开关被禁止。当引脚9上的电压降至2.63V以下时，PFC开关则重新开始。PFC开环保护：如果PFC反馈环路开路，例如引脚VOSENSE（9

15、）悬浮，PFC开关也被禁止。 3.3  反激（Flyback）电路  多模式操作在高输出功率时，反激变换器转换到准谐振模式。在准谐振模式，由于变换器在外部开关S2（MOSFET）漏-源极上电压最小值上导通（即谷值开关），所以开关损耗最小。在较低的负载上，为防止高频操作，变换器从准谐振模式变化到不连续模式，并带谷值跳越，为降低EMI将开关频率限制在fsw(fb)(max)=125KHz上，如图5所示。在非常低的功率和待机（standby）电平上，开关频率将降低。在无载时，反激变换器的开关频率可以降为零。在频率降低模式，初级峰值电流保持在其最大值的25%的电平上，谷值开关也被激

16、活，PFC控制器转换到突发模式操作。  谷值开关在外部MOSFET（S2）导通期间，是变压器T2的初级行程，如图6所示。在S2关断之后，次级行程开始。在次级行程之后，S2漏极电压出现振荡，产生振玲（ringing），振荡频率约为： 式中，LP是T2的初级自感；Cd是S2漏极节点上的电容。当振荡器电压由低变高时，次级行程结束。在开始新的初级行程之前，电路等待最小的漏极电压。在最低的漏极电压上，新的周期开始（在图6中的（1）处）。谷值开关允许高频操作，因为在高频上电容开关损耗减小，可使用小的低成本的磁性元件。  电流模式控制为获得良好的线性调节，反激变换器采用电流模式

17、控制。初级电流由RSENSE2感测，并由IC引脚FBSENSE（10）接收电流检测信号。引脚10上的电流感测信号与内部控制电压进行比较，内部控制电压正比于IC引脚FBCTRL（3）上的电压。引脚3通过一个3k电阻连接一个3.5V的电压源，当引脚3上的电压高于2.5V时，该电压源则断开。当引脚3上的电压大于4.5 V时，意味着故障出现，开关将停止。IC引脚3外部通过一个电阻RLOOP连接一个接地电容CTIMEOUT，提供超时功能，对开路控制环路提供保护。在正常操作期间，IC引脚3上的电压在1.4V到2.0V之间，对应于最小到最大输出功率。  退磁为了退磁计时和过电压保护，反激变压器T2

18、设置了一个辅助绕组。辅助绕组一端接地，另一端通过电阻RAUX2连接到引脚FBAUX（4）。退磁以逐周短路保护为特征，通过立刻降低频率（较长的关断时间）来降低功率电平。在低输出电压和在启动时，退磁识别在开始时的2s之内被抑制。如果IC引脚4开路或不连接，反激变换器则立即停止操作。软启动为阻止启动期间T2产生可所见的噪声，通过软启动功能使T2初级峰值电流缓慢增加。连接在S2源极和IC引脚FBSENSE（10）之间的RSS2和CSS2，提供软启动，软启动时间tss(fb)3RSS2CSS2。当VCC达到启动门限（22V）时，IC内部软启动电流（60A）就对CSS2充电。当IC引脚VOSENSE（9）

19、上的电压达到Vstart(fb)=1.72V和引脚10上的电压达到0.5V时，反激变换器则开始运行，软启动电流源被切断。  保护最大导通时间限制：外部MOSFET的导通时间被限制在25s。当S2导通时间超过25s时，IC停止开关并进入安全重新启动模式。过电压保护：输出过电压保护（OVP）通过T2次级行程期间感测辅助绕组上的电压来实现。辅助绕组上的电压被IC引脚FBAUX（4）感测并被内部滤波器滤掉电压尖峰。如果输出电压超过OVP解扣电平，IC内计数器则开始计算随后的OVP过程。只要OVP解扣电平持续8个周期，S2将被关断。若T2次级和辅助绕组匝数分别是NS和Naux，输出OVP解扣电平为：过电流保护（OCP）：T2中初级