一款實(shí)用高性能開關(guān)電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：采用有源功率因數(shù)校正(APFC)及同步整流技術(shù)設(shè)計(jì)了一款實(shí)用反激式開關(guān)電源裝置。樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的APFC開關(guān)電源的功率因數(shù)達(dá)到0.952~0.989,整個(gè)電源系統(tǒng)的效率高于85.8%,且總諧波電流畸變率3.75%,電磁污染程度較低，因而此裝置具有實(shí)用推廣價(jià)值。

0 引言

隨著電子信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，開關(guān)電源裝置得到了廣泛的應(yīng)用。但傳統(tǒng)開關(guān)電源也存在對(duì)電網(wǎng)造成污染以及工作效率低等問題，因此運(yùn)用新技術(shù)改善開關(guān)電源性能已經(jīng)成為目前國(guó)內(nèi)外業(yè)界的研究熱點(diǎn)，而且在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中通過功率因數(shù)校正(PowerFactorCorrection—PFC)技術(shù)降低電磁污染及利用同步整流技術(shù)提高效率的研發(fā)途徑尤其受到重視。文獻(xiàn)[2]、[3]專題研討了有源功率因數(shù)校正(APFC)技術(shù);文獻(xiàn)[4]綜述了單相并聯(lián)式技術(shù)的最新發(fā)展;文獻(xiàn)[5]、[6]分別優(yōu)化設(shè)計(jì)了帶負(fù)載電流反饋、單開關(guān)、并聯(lián)式PFC芯片的AC/DC變換器和升壓式PFC變換器。但上述文獻(xiàn)研制的電源系統(tǒng)效率只有80%左右，且未見相關(guān)電源系統(tǒng)整機(jī)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的報(bào)道。

本文以降低開關(guān)電源功耗和電磁污染為出發(fā)點(diǎn)，將PFC技術(shù)、準(zhǔn)諧振DC/DC變換與同步整流技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)并制作了一款高效低電磁污染的“綠色”開關(guān)電源裝置，既獲得了較高的功率因數(shù)，改善了對(duì)電網(wǎng)的影響，又顯著提高了工作效率，且控制簡(jiǎn)單，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

1 開關(guān)電源總體設(shè)計(jì)方案

開關(guān)電源的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，它主要由220V交流電壓整流及濾波電路、功率因數(shù)校正電路、DC/DC變換器三大部分組成。

220V交流電經(jīng)整流供給后級(jí)功率因數(shù)校正器。

采用Boost型功率因數(shù)校正電路來提高電源的輸入功率因數(shù)，同時(shí)降低了諧波電流，減小了諧波污染。圖1中功率因數(shù)校正PFC的輸出為一直流電壓UC,通過DC/DC變換可將這一電壓變換成所要求的兩輸出直流電壓Uo1(12V)和Uo2(24V)。通過輸出直流電壓Uo1(12V)的采樣來控制APFC和24V變換器的工作。

為了改善開關(guān)電源的性能，本電源實(shí)際制作時(shí)還增加了一些附屬電路(圖1中未全示出)。一是保護(hù)電路，可防止負(fù)載本身的過壓、過流或短路;二是軟啟動(dòng)控制電路，它能保證電源穩(wěn)定、可靠、有序地工作，防止啟動(dòng)時(shí)電壓電流過沖;三是浪涌吸收電路，可防止因浪涌電壓電流而引起輸出紋波峰-峰值過高、高頻輻射和高次諧波的產(chǎn)生。

2 關(guān)鍵技術(shù)及核心器件選擇

本電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是在整流濾波器和DC/DC變換器之間加入了功率因數(shù)校正電路，使輸入電流受輸入電壓嚴(yán)格控制，以實(shí)現(xiàn)更高的功率因數(shù);采用同步整流技術(shù)以減少整流損耗，提高DC/DC變換效率;選用反激式準(zhǔn)諧振DC/DC變換器既能增強(qiáng)對(duì)輸入電壓變化的適應(yīng)能力，又可降低工作損耗。

2.1APFC芯片及控制方案

電源系統(tǒng)中選用性能優(yōu)良的Infineon(英飛凌)公司的APFC芯片TDA4863,所設(shè)計(jì)的功率因數(shù)校正主電路及元器件參數(shù)見圖2,開關(guān)管VT1選用增強(qiáng)型MOSFET。具體控制方案為：從負(fù)載側(cè)A點(diǎn)反饋取樣，引入雙閉環(huán)電壓串聯(lián)負(fù)反饋，以穩(wěn)定DC/DC變換器的輸入電壓和整個(gè)系統(tǒng)的輸出電壓。

2.2準(zhǔn)諧振DC/DC變換器

DC/DC變換器的類型有多種。本設(shè)計(jì)方案選擇隔離式，可以保證用電安全。隔離式DC/DC變換形式又可進(jìn)一步細(xì)分為正激式、反激式、半橋式、全橋式和推挽式等。其中半橋式、全橋式和推挽式通常用于大功率輸出場(chǎng)合，它們激勵(lì)電路復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來較困難，而正激式電路和反激式電路則簡(jiǎn)單易行。但由于反激式比正激式更適應(yīng)輸入電壓有變化情況，且本電源系統(tǒng)中PFC輸出電壓會(huì)發(fā)生較大的變化，故本設(shè)計(jì)中的UC/Uo變換采用反激方式，有利于確保輸出電壓的穩(wěn)定不變。

普通反激型(flyback)變換器在MOSFET開通時(shí)的漏極電壓一般較高，這就增加了MOSFET的開通損耗。本設(shè)計(jì)采用ONSMEI(安森美)公司的準(zhǔn)諧振型PWM驅(qū)動(dòng)芯片NCP1207,它始終保持在MOSFET漏極電壓最低時(shí)開通，改善了開通方式，減小了開通損耗。

圖3是利用NCP1207芯片設(shè)計(jì)的反激變換器電路，其工作原理為：PFC輸出直流電壓UO一路直接連接變壓器初級(jí)線圈L1,另一路經(jīng)電阻R3連接到NCP1207高壓端8腳，使電路起振工作，形成軟啟動(dòng)電路;5腳輸出驅(qū)動(dòng)脈沖開通開關(guān)管VT,L1存儲(chǔ)能量。

當(dāng)驅(qū)動(dòng)關(guān)閉時(shí)，線圈L2和L3釋放能量，次級(jí)經(jīng)整流濾波后供電給負(fù)載。輔助線圈L3釋放的能量一部分經(jīng)整流濾波供電給VCC,形成自舉電路，另一部分經(jīng)電阻R1和R2分壓后送到1腳，來判斷VT軟開通時(shí)刻;光耦P1反饋來自輸出電壓的信號(hào)，經(jīng)電阻R7和電容C2組成積分電路濾波后送入2腳，以調(diào)節(jié)輸出電壓的穩(wěn)定，此為電壓反饋環(huán)節(jié)。電阻R6取樣主電流信號(hào)，經(jīng)串聯(lián)電阻R5和電容C4組成積分電路濾波后送入3腳，此為電流反饋環(huán)節(jié)。電容C6起到兩個(gè)作用：一是緩沖開關(guān)管VT的關(guān)斷;二是與初級(jí)線圈形成諧振使變壓器磁心恢復(fù)。

2.3同步整流技術(shù)

電源系統(tǒng)采用電流驅(qū)動(dòng)同步整流技術(shù)[8]?；舅悸肥峭ㄟ^使用低通態(tài)電阻的MOSFET代替DC/DC變換器輸出側(cè)的整流二極管工作，可以很大限度地降低整流損耗，即通過檢測(cè)流過自身的電流來獲得MOSFET驅(qū)動(dòng)信號(hào)，VT在流過正向電流時(shí)導(dǎo)通。而當(dāng)流過自身的電流為零時(shí)關(guān)斷，使反相電流不能流過VT,故MOSFET與整流二極管一樣只能單向?qū)āＥc電壓型同步整流技術(shù)相比，電流驅(qū)動(dòng)同步整流技術(shù)對(duì)不同的變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適應(yīng)性好。

選擇同步整流管主要是考慮管子的通態(tài)電流要大，通態(tài)電阻小，反向耐壓足夠(應(yīng)按24V時(shí)變壓器次級(jí)變換反向電壓計(jì)算)，且寄生二極管反向恢復(fù)時(shí)間則要短。經(jīng)對(duì)實(shí)際電路的分析計(jì)算，選用Onsemi公司生產(chǎn)的MTY100N10E的MOSFET管，其耐壓電壓為100V,通態(tài)電流為100A,通態(tài)電阻為11m!,反向恢復(fù)時(shí)間為145ns,開通延遲時(shí)間和關(guān)斷延遲時(shí)間分別為48ns和186ns,能滿足系統(tǒng)工作要求。