中心議題：

• 開關(guān)電源的工作原理,、結(jié)構(gòu)及其特性
• 中小功率綠色開關(guān)電源的設(shè)計與研究

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

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

本文研究一種中小功率開關(guān)電源,，應(yīng)用過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的電源控制技術(shù),，以實現(xiàn)綠色開關(guān)電源設(shè)計的目的,。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

所研究的開關(guān)電源結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用兩級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變換器以及檢測與保護電路組成。交流電壓經(jīng)整流后先輸入到PFC預(yù)變換器進行功率因數(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,，而且還會產(chǎn)生大量諧波污染電網(wǎng)。解決上述問題的關(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，通過對電感電流的控制,，在交流輸入端產(chǎn)生
一個跟蹤正弦輸入電壓波形的正弦電流,，實現(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且臨界連續(xù),，通過相應(yīng)的控制，在半個工頻周期內(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為過渡模式PFC控制器，功耗低,，工作電流僅1．5mA．PWM開關(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)過程，減少了反向恢復(fù)損耗,，非常適合于中小功率綠色開關(guān)電源設(shè)計,。

降低開關(guān)電源功耗的主要途徑是降低開關(guān)損耗和控制電路功耗。減少控制電路功耗可通過選擇功耗低,、功能強,、所需外部元件少的控制芯片及簡化外部控制電路來實現(xiàn)。這里主要討論降低開關(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狀態(tài),，而開關(guān)電源*率開關(guān)管的開關(guān)頻率都很高，當(dāng)開關(guān)電源工作在輕載或待機狀態(tài)下時,，開關(guān)損耗成為主要損耗,，相對損耗大大增加，效率降低,。降低輕載損耗的有效方法是在輕載狀態(tài)下降低開關(guān)電源的開關(guān)頻率,，從而使輕載效率保持與滿載時相同。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的開關(guān)頻率不是由他激振蕩器決定的固定開關(guān)頻率，而是由自激振蕩決定,。芯片在正常負(fù)載時保持固定頻率的準(zhǔn)諧振開關(guān)狀態(tài),，輕載時自動降低開關(guān)頻率以減少空載損耗，最低開關(guān)頻率可降至1KHz，F(xiàn)A5531P開關(guān)頻率與輸出功率關(guān)系如圖3所示,。FA5531P的另一個特點是具有內(nèi)部啟動電路,，從而也降低了待機功耗。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,。

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

圖3 開關(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)電阻極低的專用功率MOSFET,，同步控制功率MOSFET零電壓開通,，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,，采用在零電流時自動關(guān)斷外部功率開關(guān)的軟開關(guān)技術(shù),，減少了開關(guān)損耗，不需要另外的待機模式就可在控制運行時保持高效率,。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，可以方便地對輸出電壓或輸出電流進行反饋控制,。作為一款綠色芯片,，不但自身功耗低(最大功耗不超過0．5W)，而且從空載到滿載都具有高的變換效率,。
 

圖4 功率因數(shù)校正電路

2 開關(guān)電源電路設(shè)計

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對輸入電壓波形取樣,，獲得輸入電壓前饋信號,，作為控制芯片UCC38050內(nèi)部乘法器的一個輸入,，與電源反饋信號一起生成電感電流參考信號。電阻Rzc將電感電流過零信號輸入芯片,，以控制開關(guān)管零電流開通,。電阻Rs1檢測開關(guān)管電流，輸出電壓經(jīng)Ro1和Ro2分壓后反饋給芯片,。這些信號輸入芯片后,，經(jīng)過UCC38050內(nèi)部運算與控制，形成PWM控制信號,，控制開關(guān)管通斷,，使電流波形跟蹤電壓波形，實現(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組成谷底探測電路,，為控制芯片F(xiàn)A5531提供谷底檢測信號,。光電耦合器N1次級將輸出電壓反饋信號輸入控制芯片。電路啟動后,，F(xiàn)A5531輸出驅(qū)動信號使V1導(dǎo)通,，V1電流上升，此電流由Rs檢測輸入到控制芯片的IS引腳,，與由反饋輸入FB引腳的電壓決定的參考電壓進行比較,，達(dá)到參考電壓時，V1關(guān)斷,，變壓器繞組電壓反相,，變壓器初級電感向次級負(fù)載饋送能量。當(dāng)向次級饋送能量過程結(jié)束時,，次級電流下降到零,。變壓器漏感與開關(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)次級電流下降到零時，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閾值時，F(xiàn)A5531P驅(qū)動輸出使V1重新導(dǎo)通。由于電阻RzcD,、電容CzcD會引入延時,，選擇合適的RzcD、CzcD值,，就可實現(xiàn)V1零電壓開通,。

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SRSENSE直接取自高頻變壓器次級,，R3是輸出電流取樣電阻,，通過選擇合適的R3的阻值，可控制最大輸出電流,。TEA1761T具有欠電壓鎖定和啟動功能,，D2為TEA1761T提供電源，同時檢測輸出電壓,，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電路。當(dāng)電壓低于8．1v時,，則進入欠電壓鎖定狀態(tài)，驅(qū)動輸出保持低電平,，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,，將開關(guān)電源次級輸出電壓與參考電壓的偏差反饋給初級的控制電路,，調(diào)節(jié)隔離變換器功率開關(guān)占空比，穩(wěn)定開關(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,，實現(xiàn)反饋。用7*31取代復(fù)雜的誤差放大電路,，簡化了反饋電路結(jié)構(gòu),。

系統(tǒng)利用芯片具有多種保護功能，設(shè)計了過電壓保護,、欠電壓鎖定,、過電流保護、過熱保護等保護電路以提高系統(tǒng)的可靠性,，具體電路從略,。

3 測試結(jié)果

對所設(shè)計的開關(guān)電源樣機進行了測試，樣機額定輸出電壓24V，額定輸出電流3A,。測試中負(fù)載電阻10Ω,，當(dāng)輸入電壓范圍90～265V內(nèi)時，功率因數(shù)λ≥0．985,，電源效率η≥91．5％,，THD≤4．25％。表1是待機與輕載時的功耗測試結(jié)果,。

4 結(jié)束語

在所設(shè)計開關(guān)電源中,，所選用的芯片功耗低、功能強,，所需外部元件少,，簡化了電路結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)中綜合了多種先進的電源控制技術(shù),，從各個環(huán)節(jié)降低開關(guān)電源損耗,，保持從輕載到滿載都具有高的系統(tǒng)效率。采用的兩級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,，又有良好的動態(tài)性能，可滿足對電源性能要求較高的應(yīng)用場合,，如用作各種自動測控儀器的電源,。