一種綠色模式開關(guān)電源的研究與設(shè)計

摘要：提出了一種中小功率綠色模式開關(guān)電源設(shè)計，該電源采用兩級變換器分別對輸入電流波形整形和快速調(diào)節(jié)輸出電壓。采用過渡模式有源功率因數(shù)校正、準(zhǔn)諧振變頻控制功率隔離變換和同步整流等多種先進的電源控制技術(shù)以降低電源的總機損耗，提高系統(tǒng)效率，減少諧波污染。測試結(jié)果表明該開關(guān)電源達到了綠色設(shè)計目的，可滿足高性能應(yīng)用的需要。
關(guān)鍵詞：綠色模式；功率因數(shù)校正；總機功耗；系統(tǒng)效率

0 引言
    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l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。

    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。

    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。[!--empirenews.page--]
    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)電源中功率開關(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。
    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TEA1761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。TEA1761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，TEA1761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。

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。UCC38050構(gòu)原理見文獻。

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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。FA5531P引腳的功能見文獻。

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。

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    分路整流器76L431、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。76L431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76L431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。