一款高效反激式開關(guān)電源的設(shè)計(jì)以及性能測試

本文設(shè)計(jì)并制作了一種高效低電磁污染的開關(guān)電源樣機(jī)。測試結(jié)果表明，該電源具有優(yōu)良的動態(tài)性能、較高的功率因數(shù)和工作效率，且控制簡單，故具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

開關(guān)電源設(shè)計(jì)方案

開關(guān)電源的結(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)整流供給功率因數(shù)校正電路，采用Boost型PFC來提高電源的輸入功率因數(shù)，同時(shí)降低了諧波電流，從而減小了諧波污染。PFC的輸出為一直流電壓UC，通過DC/DC變換可將該電壓變換成所要求的兩輸出直流電壓Uo1(12V)和Uo2(24V)。

從圖中可以看出，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)。同時(shí)設(shè)計(jì)中還采用同步整流技術(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)對輸入電壓變化的適應(yīng)能力，又可以降低工作損耗。

為保證開關(guān)電源的性能，電源實(shí)際制作時(shí)還附加了一些電路：(1)保護(hù)電路。防止負(fù)載本身的過壓、過流或短路；(2)軟啟動控制電路。它能保證電源穩(wěn)定、可靠且有序地工作，防止啟動時(shí)電壓電流過沖；(3)浪涌吸收電路。防止因浪涌電壓電流而引起輸出紋波峰-峰值過高及高頻輻射和高次諧波的產(chǎn)生。

開關(guān)電源主要器件選擇

1、APFC芯片及控制方案

電源中功率因數(shù)校正電路以Infineon(英飛凌)公司生產(chǎn)的TDA4863芯片為核心，電路如圖2所示。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、準(zhǔn)諧振DC/DC變換器

DC/DC變換器的類型有多種[7]，為了保證用電安全，本設(shè)計(jì)方案選為隔離式。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合，其激勵(lì)電路復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來較困難;而正激式和反激式電路則簡單易行，但由于反激式比正激式更適應(yīng)輸入電壓有變化的情況，且本電源系統(tǒng)中PFC輸出電壓會發(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穩(wěn)定不變。

本設(shè)計(jì)采用ONSMEI(安森美)準(zhǔn)諧振型PWM驅(qū)動芯片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DC/DC反激式變換器電路，其工作原理為：PFC輸出直流電壓UO，一路直接接變壓器初級線圈L1，另一路經(jīng)電阻R3 接到NCP1207高壓端8腳，使電路起振，形成軟啟動電路;NCP1207的5腳輸出驅(qū)動脈沖開通開關(guān)管VT，L1存儲能量，當(dāng)驅(qū)動關(guān)閉時(shí)，線圈L2和 L3釋放能量，次級經(jīng)整流濾波后供電給負(fù)載，輔助線圈釋放能量，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 NCP1207的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，經(jīng)電阻R7和電容C2組成積分電路濾波后送入NCP1207的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，經(jīng)串聯(lián)電阻R5和電容C4組成積分電路濾波后送入NCP1207的3腳，此為電流反饋環(huán)節(jié)。

3、同步整流管

電源系統(tǒng)采用電流驅(qū)動同步整流技術(shù)，基本思路是通過使用低通態(tài)電阻的MOSFET代替DC/DC變換器輸出側(cè)的整流二極管工作，以最大限度地降低整流損耗，即通過檢測流過自身的電流來獲得MOSFET驅(qū)動信號，VT1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VT1，故MOSFET與整流二極管一樣只能單向?qū)ā?

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，反向耐壓足夠大(應(yīng)按24V時(shí)變壓器次級變換反向電壓計(jì)　算)，且寄生二極管反向恢復(fù)時(shí)間要短。經(jīng)對實(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100V，通態(tài)電流為100A，通態(tài)電阻為11MΩ，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。

降耗及降電磁污染的手段

1、降耗措施

(1)利用TDA4863芯片優(yōu)越性能

TDA4863 的性能特點(diǎn)是：當(dāng)輸入電壓較高時(shí)，片內(nèi)APFC電路從電網(wǎng)中吸取較多的功率;反之，當(dāng)輸入電壓較低時(shí)則吸收較少的功率，這就抑制了產(chǎn)生諧波電流，使功率因數(shù)接近單位功率因數(shù);片內(nèi)還包含有源濾波電路，能濾除因輸出電壓脈動而產(chǎn)生的諧波電流；芯片的微電流工作條件也降低了元器件的損耗。

(2)電壓電流雙閉環(huán)反饋

因整機(jī)系統(tǒng)形成雙閉環(huán)系統(tǒng)，DC/DC變換器輸出穩(wěn)定電壓時(shí)既增大了輸入電阻又減小輸出電阻，達(dá)到了閉環(huán)控制的目的。變換器在較大功率時(shí)呈現(xiàn)同步整流方式，較小功率時(shí)開關(guān)管、整流管均為零電壓開通，同步整流或零電壓開通都極大地降低了管耗。