中心議題：

• 開(kāi)關(guān)電源的工作原理、結(jié)構(gòu)及其特性
• 中小功率綠色開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)與研究

解決方案：

• 利用功率因數(shù)校正電路
• 利用功率隔離變換器
• 采用同步整流電路

中小功率開(kāi)關(guān)電源以其諸多優(yōu)良的性能,，在測(cè)控儀器儀表,、通信設(shè)備、學(xué)習(xí)與娛樂(lè)等諸多電子產(chǎn)品中得到廣泛的應(yīng)用,。隨著環(huán)境和能源問(wèn)題日益突出,，人們對(duì)電子產(chǎn)品的環(huán)保要求不斷提高，對(duì)電子產(chǎn)品的能源效率更加關(guān)注,。設(shè)計(jì)無(wú)污染,、低功耗、高效率的綠色模式電源已成為開(kāi)關(guān)電源技術(shù)研究的熱點(diǎn),。

本文研究一種中小功率開(kāi)關(guān)電源,，應(yīng)用過(guò)渡模式有源功率因數(shù)校正、準(zhǔn)諧振變頻功率隔離變換控制和同步整流等多種先進(jìn)的電源控制技術(shù),，以實(shí)現(xiàn)綠色開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的目的,。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

所研究的開(kāi)關(guān)電源結(jié)構(gòu)如圖1所示,，采用兩級(jí)PFC結(jié)構(gòu),，由PFC預(yù)變換器、隔離變換器和同步整流電路組成的DC／Dc變換器以及檢測(cè)與保護(hù)電路組成,。交流電壓經(jīng)整流后先輸入到PFC預(yù)變換器進(jìn)行功率因數(shù)校正變換,，再由電源控制電路控制隔離變換器，將直流電壓轉(zhuǎn)換成高頻交流脈沖電壓,，此脈沖電壓經(jīng)同步整流器整流,、濾波電路濾波后，得到所需的直流,。

圖1 開(kāi)關(guān)電源結(jié)構(gòu)框圖

由于整流電路中二極管等非線性元件的作用,，導(dǎo)致輸入的交流電壓雖然是正弦波，但輸入的交流電流
波形嚴(yán)重畸變,，降低了輸入電路的功率因數(shù),，增加了線路電能損耗,，而且還會(huì)產(chǎn)生大量諧波污染電網(wǎng)。解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵是改善輸入電流波形,。這里采用boost有源功率因數(shù)校正技術(shù),，由boost變換器和以UCC38050為中心的PFC控制電路組成功率因數(shù)校正級(jí)，通過(guò)對(duì)電感電流的控制,，在交流輸入端產(chǎn)生
一個(gè)跟蹤正弦輸入電壓波形的正弦電流,，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正，使輸入電路功率因數(shù)接近于l,。電流波形
校正原理如圖2所示,，電感電流波形高頻脈動(dòng)且臨界連續(xù)，通過(guò)相應(yīng)的控制,，在半個(gè)工頻周期內(nèi),，使電
感中電流的平均值跟隨全波整流電壓基準(zhǔn)值，其包絡(luò)線呈正弦波形,，且相位與電壓相同,。圖中，iL為
電感電流,，iA為電感平均電流,，ip為電感電流峰值包絡(luò)線。

圖2 電感電流

UCC38050為過(guò)渡模式PFC控制器,，功耗低,，工作電流僅1．5mA．PWM開(kāi)關(guān)頻率由自激振蕩產(chǎn)生而且頻率可變，不存在Boost二極管反向恢復(fù)過(guò)程,，減少了反向恢復(fù)損耗,，非常適合于中小功率綠色開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)。

降低開(kāi)關(guān)電源功耗的主要途徑是降低開(kāi)關(guān)損耗和控制電路功耗,。減少控制電路功耗可通過(guò)選擇功耗低,、功能強(qiáng)、所需外部元件少的控制芯片及簡(jiǎn)化外部控制電路來(lái)實(shí)現(xiàn),。這里主要討論降低開(kāi)關(guān)損耗的措施,。許多電子產(chǎn)品在使用中常處于輕載或待機(jī)狀態(tài)，而開(kāi)關(guān)電源*率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率都很高,，當(dāng)開(kāi)關(guān)電源工作在輕載或待機(jī)狀態(tài)下時(shí),，開(kāi)關(guān)損耗成為主要損耗，相對(duì)損耗大大增加,，效率降低,。降低輕載損耗的有效方法是在輕載狀態(tài)下降低開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)頻率，從而使輕載效率保持與滿(mǎn)載時(shí)相同,。圖1中,，隔離變換控制電路采用準(zhǔn)諧振電源控制器FA5531P及外圍元件構(gòu)成,。FA5531P的開(kāi)關(guān)頻率不是由他激振蕩器決定的固定開(kāi)關(guān)頻率，而是由自激振蕩決定,。芯片在正常負(fù)載時(shí)保持固定頻率的準(zhǔn)諧振開(kāi)關(guān)狀態(tài),，輕載時(shí)自動(dòng)降低開(kāi)關(guān)頻率以減少空載損耗，最低開(kāi)關(guān)頻率可降至1KHz,，F(xiàn)A5531P開(kāi)關(guān)頻率與輸出功率關(guān)系如圖3所示,。FA5531P的另一個(gè)特點(diǎn)是具有內(nèi)部啟動(dòng)電路，從而也降低了待機(jī)功耗,。FA5531P自身功耗很低,，工作電流僅1．5mA，集成度高,，只需極少的外部元件,。

開(kāi)關(guān)器件的寄生電容是引起開(kāi)關(guān)損耗的重要因素。功率MOSFET的阻斷電壓較大,，開(kāi)通過(guò)程中,，因寄生電容的存在而引入的損耗也大。因此設(shè)計(jì)了谷底檢測(cè)電路探測(cè)功率開(kāi)關(guān)管的電壓谷底,，以控制開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)通,，減小寄生電容引入的損耗，提高轉(zhuǎn)換效率,。

圖3 開(kāi)關(guān)頻率/負(fù)載特性

整流采用同步整流技術(shù),，與快恢復(fù)二極管整流比較，同步整流采用通態(tài)電阻極低的專(zhuān)用功率MOSFET,，同步控制功率MOSFET零電壓開(kāi)通,，不但功耗低，還可降低噪音,。由于電流越小功率MOSFET導(dǎo)通壓降越低,，這一特性對(duì)于改善輕載效率尤為有效。同步整流控制采用同步整流控制器控制,，采用在零電流時(shí)自動(dòng)關(guān)斷外部功率開(kāi)關(guān)的軟開(kāi)關(guān)技術(shù),，減少了開(kāi)關(guān)損耗,，不需要另外的待機(jī)模式就可在控制運(yùn)行時(shí)保持高效率,。具有高精度內(nèi)部參考電壓，內(nèi)部集成了輸出電壓和輸出電流調(diào)節(jié)電路,，可以方便地對(duì)輸出電壓或輸出電流進(jìn)行反饋控制,。作為一款綠色芯片，不但自身功耗低(最大功耗不超過(guò)0．5W),，而且從空載到滿(mǎn)載都具有高的變換效率,。
 

圖4 功率因數(shù)校正電路

2 開(kāi)關(guān)電源電路設(shè)計(jì)

2．1 功率因數(shù)校正電路

功率因數(shù)校正電路原理如圖4所示,。電路中，電感L,、功率MOS開(kāi)關(guān)管Vo,、二極管Do和電容Co組成Boost變換器。電阻分壓器RAc1和RAc2對(duì)輸入電壓波形取樣,，獲得輸入電壓前饋信號(hào),，作為控制芯片UCC38050內(nèi)部乘法器的一個(gè)輸入，與電源反饋信號(hào)一起生成電感電流參考信號(hào),。電阻Rzc將電感電流過(guò)零信號(hào)輸入芯片,，以控制開(kāi)關(guān)管零電流開(kāi)通。電阻Rs1檢測(cè)開(kāi)關(guān)管電流,，輸出電壓經(jīng)Ro1和Ro2分壓后反饋給芯片,。這些信號(hào)輸入芯片后，經(jīng)過(guò)UCC38050內(nèi)部運(yùn)算與控制,，形成PWM控制信號(hào),，控制開(kāi)關(guān)管通斷，使電流波形跟蹤電壓波形,，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正,。

2．2 功率隔離變換器

功率隔離變換器電路如圖5所示，由控制電路和反激式變換器組成,。圖中,，變壓器輔助繞組LZ、電阻RZCD,、電容CzcD組成谷底探測(cè)電路,，為控制芯片F(xiàn)A5531提供谷底檢測(cè)信號(hào)。光電耦合器N1次級(jí)將輸出電壓反饋信號(hào)輸入控制芯片,。電路啟動(dòng)后,，F(xiàn)A5531輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)使V1導(dǎo)通，V1電流上升,，此電流由Rs檢測(cè)輸入到控制芯片的IS引腳,，與由反饋輸入FB引腳的電壓決定的參考電壓進(jìn)行比較，達(dá)到參考電壓時(shí),，V1關(guān)斷,，變壓器繞組電壓反相，變壓器初級(jí)電感向次級(jí)負(fù)載饋送能量,。當(dāng)向次級(jí)饋送能量過(guò)程結(jié)束時(shí),，次級(jí)電流下降到零。變壓器漏感與開(kāi)關(guān)管寄生電容Cd構(gòu)成了諧振電路，變壓器輔助繞組感應(yīng)此諧振電路的諧振電壓,，并輸入到FA5531P的ZCD引腳,。當(dāng)次級(jí)電流下降到零時(shí)，諧振電路的諧振電壓迅速下降,，輔助繞組的感應(yīng)電壓也迅速下降,，當(dāng)ZCD引腳上的電壓降至谷底探測(cè)閾值時(shí)，F(xiàn)A5531P驅(qū)動(dòng)輸出使V1重新導(dǎo)通,。由于電阻RzcD,、電容CzcD會(huì)引入延時(shí)，選擇合適的RzcD,、CzcD值,，就可實(shí)現(xiàn)V1零電壓開(kāi)通。

圖5 隔離變換電路

2．3 同步整流電路

采用TEAl761T的同步整流電路如圖6所示,。同步信號(hào)SRSENSE直接取自高頻變壓器次級(jí),，R3是輸出電流取樣電阻，通過(guò)選擇合適的R3的阻值,，可控制最大輸出電流,。TEA1761T具有欠電壓鎖定和啟動(dòng)功能，D2為T(mén)EA1761T提供電源,，同時(shí)檢測(cè)輸出電壓,，當(dāng)Vcc引腳電壓高于8．6V，TEA1761T激活同步整流電路和輸出電壓與輸出電流檢測(cè)電路,。當(dāng)電壓低于8．1v時(shí),，則進(jìn)入欠電壓鎖定狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)輸出保持低電平,，光耦反饋輸出被封鎖,。

圖6 同步整流電路

分路整流器7*31、光電耦合器N1和分壓電阻等組成輸出電壓反饋回路,，將開(kāi)關(guān)電源次級(jí)輸出電壓與參考電壓的偏差反饋給初級(jí)的控制電路,，調(diào)節(jié)隔離變換器功率開(kāi)關(guān)占空比，穩(wěn)定開(kāi)關(guān)電源輸出電壓,。7*31提供高精度基準(zhǔn)電壓,，分壓電阻對(duì)輸出電壓采樣，與基準(zhǔn)電壓比較,，其偏差被放大并改變光電耦合器輸出,，實(shí)現(xiàn)反饋。用7*31取代復(fù)雜的誤差放大電路,，簡(jiǎn)化了反饋電路結(jié)構(gòu),。

系統(tǒng)利用芯片具有多種保護(hù)功能,，設(shè)計(jì)了過(guò)電壓保護(hù),、欠電壓鎖定,、過(guò)電流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)等保護(hù)電路以提高系統(tǒng)的可靠性,，具體電路從略,。

3 測(cè)試結(jié)果

對(duì)所設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源樣機(jī)進(jìn)行了測(cè)試，樣機(jī)額定輸出電壓24V,，額定輸出電流3A,。測(cè)試中負(fù)載電阻10Ω，當(dāng)輸入電壓范圍90～265V內(nèi)時(shí),，功率因數(shù)λ≥0．985,，電源效率η≥91．5％，THD≤4．25％,。表1是待機(jī)與輕載時(shí)的功耗測(cè)試結(jié)果,。

4 結(jié)束語(yǔ)

在所設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源中，所選用的芯片功耗低,、功能強(qiáng),，所需外部元件少，簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu),。系統(tǒng)中綜合了多種先進(jìn)的電源控制技術(shù),，從各個(gè)環(huán)節(jié)降低開(kāi)關(guān)電源損耗，保持從輕載到滿(mǎn)載都具有高的系統(tǒng)效率,。采用的兩級(jí)變換器分別有自己的控制環(huán)節(jié),，所以既能保持穩(wěn)定的輸出電壓，又有良好的動(dòng)態(tài)性能,，可滿(mǎn)足對(duì)電源性能要求較高的應(yīng)用場(chǎng)合,，如用作各種自動(dòng)測(cè)控儀器的電源。