一种绿色模式开关电源的研究与设计

摘要：提出了一种中小功率绿色模式开关电源设计，该电源采用两级变换器分别对输入电流波形整形和快速调节输出电压。采用过渡模式有源功率因数校正、准谐振变频控制功率隔离变换和同步整流等多种先进的电源控制技术以降低电源的总机损耗，提高系统效率，减少谐波污染。测试结果表明该开关电源达到了绿色设计目的，可满足高性能应用的需要。
关键词：绿色模式；功率因数校正；总机功耗；系统效率

0 引言
    中小功率开关电源以其诸多优良的性能，在测控仪器仪表、通信设备、学习与娱乐等诸多电子产品中得到广泛的应用。随着环境和能源问题日益突出，人们对电子产品的环保要求不断提高，对电子产品的能源效率更加关注。设计无污染、低功耗、高效率的绿色模式电源已成为开关电源技术研究的热点。
    本文研究一种中小功率开关电源，应用过渡模式有源功率因数校正、准谐振变频功率隔离变换控制和同步整流等多种先进的电源控制技术，以实现绿色开关电源设计的目的。

1 系统结构与工作原理
    所研究的开关电源结构如图l所示，采用两级PFC结构，由PFC预变换器、隔离变换器和同步整流电路组成的DC／Dc变换器以及检测与保护电路组成。交流电压经整流后先输入到PFC预变换器进行功率因数校正变换，再由电源控制电路控制隔离变换器，将直流电压转换成高频交流脉冲电压，此脉冲电压经同步整流器整流、滤波电路滤波后，得到所需的直流。

    由于整流电路中二极管等非线性元件的作用，导致输入的交流电压虽然是正弦波，但输入的交流电流波形严重畸变，降低了输入电路的功率因数，增加了线路电能损耗，而且还会产生大量谐波污染电网。解决上述问题的关键是改善输入电流波形。这里采用boost有源功率因数校正技术，由boost变换器和以UCC38050为中心的PFC控制电路组成功率因数校正级，通过对电感电流的控制，在交流输入端产生一个跟踪正弦输入电压波形的正弦电流，实现功率因数校正，使输入电路功率因数接近于l。电流波形校正原理如图2所示，电感电流波形高频脉动且临界连续，通过相应的控制，在半个工频周期内，使电感中电流的平均值跟随全波整流电压基准值，其包络线呈正弦波形，且相位与电压相同。图中，iL为电感电流，iA为电感平均电流，ip为电感电流峰值包络线。

    UCC38050为过渡模式PFC控制器，功耗低，工作电流仅1．5mA．PWM开关频率由自激振荡产生而且频率可变，不存在Boost二极管反向恢复过程，减少了反向恢复损耗，非常适合于中小功率绿色开关电源设计。[!--empirenews.page--]
    降低开关电源功耗的主要途径是降低开关损耗和控制电路功耗。减少控制电路功耗可通过选择功耗低、功能强、所需外部元件少的控制芯片及简化外部控制电路来实现。这里主要讨论降低开关损耗的措施。许多电子产品在使用中常处于轻载或待机状态，而开关电源中功率开关管的开关频率都很高，当开关电源工作在轻载或待机状态下时，开关损耗成为主要损耗，相对损耗大大增加，效率降低。降低轻载损耗的有效方法是在轻载状态下降低开关电源的开关频率，从而使轻载效率保持与满载时相同。图1中，隔离变换控制电路采用准谐振电源控制器FA5531P及外围元件构成。FA5531P的开关频率不是由他激振荡器决定的固定开关频率，而是由自激振荡决定。芯片在正常负载时保持固定频率的准谐振开关状态，轻载时自动降低开关频率以减少空载损耗，最低开关频率可降至1KHz，FA5531P开关频率与输出功率关系如图3所示。FA5531P的另一个特点是具有内部启动电路，从而也降低了待机功耗。FA5531P自身功耗很低，工作电流仅1．5mA，集成度高，只需极少的外部元件。

    开关器件的寄生电容是引起开关损耗的重要因素。功率MOSFET的阻断电压较大，开通过程中，因寄生电容的存在而引入的损耗也大。因此设计了谷底检测电路探测功率开关管的电压谷底，以控制开关管的零电压开通，减小寄生电容引入的损耗，提高转换效率。
    整流采用同步整流技术，与快恢复二极管整流比较，同步整流采用通态电阻极低的专用功率MOSFET，同步控制功率MOSFET零电压开通，不但功耗低，还可降低噪音。由于电流越小功率MOSFET导通压降越低，这一特性对于改善轻载效率尤为有效。同步整流控制采用同步整流控制器TEA1761控制，采用在零电流时自动关断外部功率开关的软开关技术，减少了开关损耗，不需要另外的待机模式就可在控制运行时保持高效率。TEA1761具有高精度内部参考电压，内部集成了输出电压和输出电流调节电路，可以方便地对输出电压或输出电流进行反馈控制。作为一款绿色芯片，TEA1761不但自身功耗低(最大功耗不超过0．5W)，而且从空载到满载都具有高的变换效率。

2 开关电源电路设计
2．1 功率因数校正电路
    功率因数校正电路原理如图4所示。电路中，电感L、功率MOS开关管Vo、二极管Do和电容Co组成Boost变换器。电阻分压器RAc1和RAc2对输入电压波形取样，获得输入电压前馈信号，作为控制芯片UCC38050内部乘法器的一个输入，与电源反馈信号一起生成电感电流参考信号。电阻Rzc将电感电流过零信号输入芯片，以控制开关管零电流开通。电阻Rs1检测开关管电流，输出电压经Ro1和Ro2分压后反馈给芯片。这些信号输入芯片后，经过UCC38050内部运算与控制，形成PWM控制信号，控制开关管通断，使电流波形跟踪电压波形，实现功率因数校正。UCC38050构原理见文献。

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2．2 功率隔离变换器
    功率隔离变换器电路如图5所示，由控制电路和反激式变换器组成。图中，变压器辅助绕组LZ、电阻RZCD、电容CzcD组成谷底探测电路，为控制芯片FA5531提供谷底检测信号。光电耦合器N1次级将输出电压反馈信号输入控制芯片。电路启动后，FA5531输出驱动信号使V1导通，V1电流上升，此电流由Rs检测输入到控制芯片的IS引脚，与由反馈输入FB引脚的电压决定的参考电压进行比较，达到参考电压时，V1关断，变压器绕组电压反相，变压器初级电感向次级负载馈送能量。当向次级馈送能量过程结束时，次级电流下降到零。变压器漏感与开关管寄生电容Cd构成了谐振电路，变压器辅助绕组感应此谐振电路的谐振电压，并输入到FA5531P的ZCD引脚。当次级电流下降到零时，谐振电路的谐振电压迅速下降，辅助绕组的感应电压也迅速下降，当ZCD引脚上的电压降至谷底探测阈值时，FA5531P驱动输出使V1重新导通。由于电阻RzcD、电容CzcD会引入延时，选择合适的RzcD、CzcD值，就可实现V1零电压开通。FA5531P引脚的功能见文献。

2．3 同步整流电路
    采用TEAl761T的同步整流电路如图6所示。同步信号SRSENSE直接取自高频变压器次级，R3是输出电流取样电阻，通过选择合适的R3的阻值，可控制最大输出电流。TEA1761T具有欠电压锁定和启动功能，D2为TEA1761T提供电源，同时检测输出电压，当Vcc引脚电压高于8．6V，TEA1761T激活同步整流电路和输出电压与输出电流检测电路。当电压低于8．1v时，则进入欠电压锁定状态，驱动输出保持低电平，光耦反馈输出被封锁。

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    分路整流器76L431、光电耦合器N1和分压电阻等组成输出电压反馈回路，将开关电源次级输出电压与参考电压的偏差反馈给初级的控制电路，调节隔离变换器功率开关占空比，稳定开关电源输出电压。76L431提供高精度基准电压，分压电阻对输出电压采样，与基准电压比较，其偏差被放大并改变光电耦合器输出，实现反馈。用76L431取代复杂的误差放大电路，简化了反馈电路结构。
    系统利用芯片具有多种保护功能，设计了过电压保护、欠电压锁定、过电流保护、过热保护等保护电路以提高系统的可靠性，具体电路从略。

3 测试结果
    对所设计的开关电源样机进行了测试，样机额定输出电压24V，额定输出电流3A。测试中负载电阻10Ω，当输入电压范围90～265V内时，功率因数λ≥0．985，电源效率η≥91．5％，THD≤4．25％。表1是待机与轻载时的功耗测试结果。

4 结束语
    在所设计开关电源中，所选用的芯片功耗低、功能强，所需外部元件少，简化了电路结构。系统中综合了多种先进的电源控制技术，从各个环节降低开关电源损耗，保持从轻载到满载都具有高的系统效率。采用的两级变换器分别有自己的控制环节，所以既能保持稳定的输出电压，又有良好的动态性能，可满足对电源性能要求较高的应用场合，如用作各种自动测控仪器的电源。