一款高效反激式開關電源的設計以及性能測試

2020-11-27 電子產品世界

由於傳統開關電源存在對電網造成諧波汙染以及工作效率低等問題，因此目前國內外各類開關電源研究機構正努力尋求運用各種高新技術改善電源性能。.其中，在開關電源設計中通過功率因數校正PFC(Power Factor Correction)技術降低電磁汙染及利用同步整流技術提高效率的研發途徑尤其受到重視。

本文設計並製作了一種高效低電磁汙染的開關電源樣機。測試結果表明，該電源具有優良的動態性能、較高的功率因數和工作效率，且控制簡單，故具有一定的實際應用價值。

開關電源設計方案

開關電源的結構如圖1所示，它主要由220V交流電壓整流及濾波電路、功率因數校正電路、DC/DC變換器三大部分組成。


220V交流電經整流供給功率因數校正電路，採用Boost型PFC來提高電源的輸入功率因數，同時降低了諧波電流，從而減小了諧波汙染。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，本電源系統設計的關鍵是在整流濾波器和DC/DC變換器之間加入了功率因數校正電路，使輸入電流受輸入電壓嚴格控制，以實現更高的功率因數。同時設計中還採用同步整流技術以減少整流損耗，提高DC/DC變換效率。選用反激式準諧振DC/DC變換器，既能增強對輸入電壓變化的適應能力，又可以降低工作損耗。

為保證開關電源的性能，電源實際製作時還附加了一些電路：(1)保護電路。防止負載本身的過壓、過流或短路；(2)軟啟動控制電路。它能保證電源穩定、可靠且有序地工作，防止啟動時電壓電流過衝；(3)浪湧吸收電路。防止因浪湧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生。

開關電源主要器件選擇

1、APFC晶片及控制方案

電源中功率因數校正電路以Infineon(英飛凌)公司生產的TDA4863晶片為核心，電路如圖2所示。開關管VT1選用增強型MOSFET。具體控制方案為：從負載側A點反饋取樣，引入雙閉環電壓串聯負反饋，以穩定DC/DC變換器的輸入電壓和整個系統的輸出電壓。


2、準諧振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，本設計方案選為隔離式。隔離式DC/DC變換形式又可進一步細分為正激式、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於大功率輸出場合，其激勵電路複雜，實現起來較困難;而正激式和反激式電路則簡單易行，但由於反激式比正激式更適應輸入電壓有變化的情況，且本電源系統中PFC輸出電壓會發生較大的變化，故本設計中的 UC/UO變換採用反激方式，有利於確保輸出電壓穩定不變。

本設計採用ONSMEI(安森美)準諧振型PWM驅動晶片NCP1207，它始終保持在MOSFET漏極電壓最低時開通，改善了開通方式，減小了開通損耗。


圖3是利用NCP1207晶片設計的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腳輸出驅動脈衝開通開關管VT，L1存儲能量，當驅動關閉時，線圈L2和 L3釋放能量，次級經整流濾波後供電給負載，輔助線圈釋放能量，一部分經整流濾波供電給VCC，形成自舉電路，另一部分經電阻R1和R2分壓後送到 NCP1207的1腳，來判斷VT軟開通時刻；光耦P1反饋來自輸出電壓的信號，經電阻R7和電容C2組成積分電路濾波後送入NCP1207的2腳，以調節輸出電壓的穩定，此為電壓反饋環節。電阻R6取樣主電流信號，經串聯電阻R5和電容C4組成積分電路濾波後送入NCP1207的3腳，此為電流反饋環節。


3、同步整流管

電源系統採用電流驅動同步整流技術，基本思路是通過使用低通態電阻的MOSFET代替DC/DC變換器輸出側的整流二極體工作，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驅動信號，VT1在流過正向電流時導通，而當流過自身的電流為零時關斷，使反相電流不能流過VT1，故MOSFET與整流二極體一樣只能單向導通。

選擇同步整流管主要是考慮管子的通態電流要大，通態電阻小，反向耐壓足夠大(應按24V時變壓器次級變換反向電壓計　算)，且寄生二極體反向恢復時間要短。經對實際電路的分析計算，選用ONSEMI公司生產的 MTY100N10E的MOSFET管，其耐壓100V，通態電流為100A，通態電阻為11MΩ，反向恢復時間為145ns，開通延遲時間和關斷延遲時間分別為48ns和186ns，能滿足系統工作要求。

降耗及降電磁汙染的手段

1、降耗措施

(1)利用TDA4863晶片優越性能

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

(2)電壓電流雙閉環反饋

因整機系統形成雙閉環系統，DC/DC變換器輸出穩定電壓時既增大了輸入電阻又減小輸出電阻，達到了閉環控制的目的。變換器在較大功率時呈現同步整流方式，較小功率時開關管、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。


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