一種高效反激式開關(guān)電源的設(shè)計(jì)與性能測試

1、    一種高效反激式開關(guān)電源的設(shè)計(jì)與性能測試        王振宇，成 立 時(shí)間:2008年11月12日     字 體: 大 中 小        關(guān)鍵詞:        摘 要：關(guān)鍵詞： 功率因數(shù)校正；TDA4863；NCP1207；開關(guān)電源?由于傳統(tǒng)開關(guān)電源存在對電網(wǎng)造成

2、諧波污染以及工作效率低等問題，因此目前國內(nèi)外各類開關(guān)電源研究機(jī)構(gòu)正努力尋求運(yùn)用各種高新技術(shù)改善電源性能1。其中，在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中通過功率因數(shù)校正PFC（Power Factor Correction)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。參考文獻(xiàn)2-3專題研討了有源功率因數(shù)校正（APFC）技術(shù)；參考文獻(xiàn)4綜述了單相并聯(lián)式技術(shù)的最新發(fā)展；參考文獻(xiàn)5-6分別優(yōu)化設(shè)計(jì)了帶負(fù)載電流反饋、并聯(lián)式PFC芯片的AC/DC變換器和升壓式PFC變換器，但所設(shè)計(jì)的電源效率及功率因數(shù)分別在85%和90%以下，其性能還有待進(jìn)一步提高。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)

3、果表明，該電源具有優(yōu)良的動(dòng)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。1 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

4、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(dòng)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(dòng)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。2 開關(guān)電源主要器件選擇2.1 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TDA

5、4863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。?2.2 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(huì)發(fā)生較大的變化，故本設(shè)計(jì)中

6、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(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(dòng)電路；NCP1207的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

7、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(hào)，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(hào)，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)。?2.3 同步整流管電源系統(tǒng)采用電流驅(qū)動(dòng)同步整流技術(shù)8，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(dòng)信號(hào)，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

8、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＿x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。3 降耗及降電磁污染的手段3.1 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

9、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(dòng)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。3.2 降低電磁污染措施? (1)交流側(cè)設(shè)置電磁干擾（EMI）濾波器? 設(shè)置EMI濾波器的目的是抑制電源線上傳導(dǎo)的高頻干擾

10、，同時(shí)防止電源裝置產(chǎn)生的諧波污染電網(wǎng)。? (2)直流側(cè)安裝濾波電容器? 在整流橋的兩端并聯(lián)了四只濾波電容器，可削弱整流部分對系統(tǒng)工作的影響。? (3)優(yōu)化元器件布局減小連線距離在一次整流回路中將二極管與變壓器接近，而在二次整流回路中將二極管與變壓器和輸出電容都設(shè)置得比較靠近。(4)合理接地一方面為降低接地阻抗、消除分布電容的影響，安裝時(shí)將需要接地部分就近接到該端；另一方面分別將低頻電路、高頻電路和功率電路的公共端單獨(dú)連接后，再接到參考地端。4 樣機(jī)測試結(jié)果分析4.1 整流橋和開關(guān)管測試波形采用泰克（Tektronix）示波器TDS5034B對實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行測試，圖4是后級DC/DC變換器負(fù)載為1

11、2V/1.53A及24V/1.70A時(shí)的波形。其中，udr和ud分別為開關(guān)管VT1驅(qū)動(dòng)電壓及其漏極電壓，u5為TDA4863的5腳電壓，即電感零電流檢測電壓，ui為整流橋正弦半波輸出電壓。由圖可知，ud幅值因?yàn)殂Q位而基本不變，呈高頻矩形波；u5的包絡(luò)線顯現(xiàn)出電感平均電流波形接近于正弦波形。當(dāng)ui為谷點(diǎn)時(shí)振蕩頻率f0明顯降低，因此時(shí)電流基準(zhǔn)信號(hào)也處于低谷，且輸出功率一定時(shí)很小的峰值電流無法使u5升高；在ui峰值附近f0也較低，因?yàn)殡娏骰鶞?zhǔn)信號(hào)亦處于峰值附近，電感電流峰值和輸出功率都較大，但因輸出平均功率一定，故f0降低。?4.2 不同輸入交流電壓時(shí)的開關(guān)管電壓波形圖5是負(fù)載為12V/1.1A、2

12、4V/3.2A時(shí)，不同的ui下實(shí)測的開關(guān)管VT1漏極電壓ud的波形。由圖可知，當(dāng)ui在90V150V低壓段時(shí)，ud為252V，并保持不變；當(dāng)ui在210V260V高壓段時(shí)，ud一直保持382V不變。由此說明，電源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了輸出電壓跟隨輸入交流電壓變化的目標(biāo)。?4.3 輸出紋波電壓波形圖6為APFC的輸出高頻和低頻紋波電壓。由圖可知，高頻紋波電壓約為3V左右，低頻紋波頻率為100Hz時(shí)，波動(dòng)電壓約為10V。因后級為反激式DC/DC變換器，故對輸出電壓無影響。?4.4 開關(guān)電源主要項(xiàng)目測試數(shù)據(jù)不同負(fù)載和輸入交流電壓下測試的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示，表中，Ui、Ii；UO、IO；Pi、PO分別表示整個(gè)電源

13、系統(tǒng)的交流輸入電壓、輸入電流；輸出電壓、輸出電流；輸入功率、輸出功率。樣機(jī)功率因數(shù)cos是采用WT3000型高精度功率分析儀測試得到。具體測試情況是：電源系統(tǒng)未啟動(dòng)時(shí)，cos只有0.625左右，但當(dāng)系統(tǒng)工作后，cos逐漸升高并達(dá)到0.952以上，峰值點(diǎn)可達(dá)0.989，可見電源系統(tǒng)對功率因數(shù)的提升是明顯的。?本文所設(shè)計(jì)的反激式開關(guān)電源與普通開關(guān)電源相比，具有更低的功耗和電磁污染，而且對樣機(jī)實(shí)測的功率因素cos高于0.95；在輸出端電壓分別為12V和24V時(shí)，對應(yīng)系統(tǒng)輸出紋波電壓實(shí)測約為104mV和185mV；THD值低至3.75%以下，符合EMI國家標(biāo)準(zhǔn)，整個(gè)電源系統(tǒng)的效率范圍為85.8%87.

14、9%。因此，所設(shè)計(jì)的開關(guān)電源具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，可以將其應(yīng)用于各種中小功率的電子設(shè)備中。參考文獻(xiàn)1 劉勝利.現(xiàn)代高頻開關(guān)電源實(shí)用技術(shù)M北京：電子工業(yè)出版社，20012 張恩利，侯振義.有源功率因數(shù)校正技術(shù)J.UPS應(yīng)用，2005，3（7）：29-34.3 周志敏，周紀(jì)海，紀(jì)愛華.開關(guān)電源功率因數(shù)校正電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用M.北京：人民郵電出版社，2004.4 BING Zhong Hui，CHEN Min，STEPHANIE M.Recent developments in single-phase power factor correction.Power?Conversion Conferen

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