一款实用高性能开关电源的设计与实现

摘要：采用有源功率因数校正(APFC)及同步整流技术设计了一款实用反激式开关电源装置。样机实验结果表明，所设计的APFC开关电源的功率因数达到0.952~0.989,整个电源系统的效率高于85.8%,且总谐波电流畸变率3.75%,电磁污染程度较低，因而此装置具有实用推广价值。

0 引言

随着电子信息产业技术的快速发展，开关电源装置得到了广泛的应用。但传统开关电源也存在对电网造成污染以及工作效率低等问题，因此运用新技术改善开关电源性能已经成为目前国内外业界的研究热点，而且在开关电源设计中通过功率因数校正(PowerFactorCorrection—PFC)技术降低电磁污染及利用同步整流技术提高效率的研发途径尤其受到重视。文献[2]、[3]专题研讨了有源功率因数校正(APFC)技术;文献[4]综述了单相并联式技术的最新发展;文献[5]、[6]分别优化设计了带负载电流反馈、单开关、并联式PFC芯片的AC/DC变换器和升压式PFC变换器。但上述文献研制的电源系统效率只有80%左右，且未见相关电源系统整机实验测试的报道。

本文以降低开关电源功耗和电磁污染为出发点，将PFC技术、准谐振DC/DC变换与同步整流技术相结合，设计并制作了一款高效低电磁污染的“绿色”开关电源装置，既获得了较高的功率因数，改善了对电网的影响，又显着提高了工作效率，且控制简单，具有一定的应用价值。

1 开关电源总体设计方案

开关电源的总体结构如图1所示，它主要由220V交流电压整流及滤波电路、功率因数校正电路、DC/DC变换器三大部分组成。

220V交流电经整流供给后级功率因数校正器。

采用Boost型功率因数校正电路来提高电源的输入功率因数，同时降低了谐波电流，减小了谐波污染。图1中功率因数校正PFC的输出为一直流电压UC,通过DC/DC变换可将这一电压变换成所要求的两输出直流电压Uo1(12V)和Uo2(24V)。通过输出直流电压Uo1(12V)的采样来控制APFC和24V变换器的工作。

为了改善开关电源的性能，本电源实际制作时还增加了一些附属电路(图1中未全示出)。一是保护电路，可防止负载本身的过压、过流或短路;二是软启动控制电路，它能保证电源稳定、可靠、有序地工作，防止启动时电压电流过冲;三是浪涌吸收电路，可防止因浪涌电压电流而引起输出纹波峰-峰值过高、高频辐射和高次谐波的产生。

2 关键技术及核心器件选择

本电源系统设计的关键是在整流滤波器和DC/DC变换器之间加入了功率因数校正电路，使输入电流受输入电压严格控制，以实现更高的功率因数;采用同步整流技术以减少整流损耗，提高DC/DC变换效率;选用反激式准谐振DC/DC变换器既能增强对输入电压变化的适应能力，又可降低工作损耗。

2.1APFC芯片及控制方案

电源系统中选用性能优良的Infineon(英飞凌)公司的APFC芯片TDA4863,所设计的功率因数校正主电路及元器件参数见图2,开关管VT1选用增强型MOSFET。具体控制方案为：从负载侧A点反馈取样，引入双闭环电压串联负反馈，以稳定DC/DC变换器的输入电压和整个系统的输出电压。

2.2准谐振DC/DC变换器

DC/DC变换器的类型有多种。本设计方案选择隔离式，可以保证用电安全。隔离式DC/DC变换形式又可进一步细分为正激式、反激式、半桥式、全桥式和推挽式等。其中半桥式、全桥式和推挽式通常用于大功率输出场合，它们激励电路复杂，实现起来较困难，而正激式电路和反激式电路则简单易行。但由于反激式比正激式更适应输入电压有变化情况，且本电源系统中PFC输出电压会发生较大的变化，故本设计中的UC/Uo变换采用反激方式，有利于确保输出电压的稳定不变。

普通反激型(flyback)变换器在MOSFET开通时的漏极电压一般较高，这就增加了MOSFET的开通损耗。本设计采用ONSMEI(安森美)公司的准谐振型PWM驱动芯片NCP1207,它始终保持在MOSFET漏极电压最低时开通，改善了开通方式，减小了开通损耗。

图3是利用NCP1207芯片设计的反激变换器电路，其工作原理为：PFC输出直流电压UO一路直接连接变压器初级线圈L1,另一路经电阻R3连接到NCP1207高压端8脚，使电路起振工作，形成软启动电路;5脚输出驱动脉冲开通开关管VT,L1存储能量。

当驱动关闭时，线圈L2和L3释放能量，次级经整流滤波后供电给负载。辅助线圈L3释放的能量一部分经整流滤波供电给VCC,形成自举电路，另一部分经电阻R1和R2分压后送到1脚，来判断VT软开通时刻;光耦P1反馈来自输出电压的信号，经电阻R7和电容C2组成积分电路滤波后送入2脚，以调节输出电压的稳定，此为电压反馈环节。电阻R6取样主电流信号，经串联电阻R5和电容C4组成积分电路滤波后送入3脚，此为电流反馈环节。电容C6起到两个作用：一是缓冲开关管VT的关断;二是与初级线圈形成谐振使变压器磁心恢复。

2.3同步整流技术

电源系统采用电流驱动同步整流技术[8]。基本思路是通过使用低通态电阻的MOSFET代替DC/DC变换器输出侧的整流二极管工作，可以很大限度地降低整流损耗，即通过检测流过自身的电流来获得MOSFET驱动信号，VT在流过正向电流时导通。而当流过自身的电流为零时关断，使反相电流不能流过VT,故MOSFET与整流二极管一样只能单向导通。与电压型同步整流技术相比，电流驱动同步整流技术对不同的变换器拓扑结构适应性好。

选择同步整流管主要是考虑管子的通态电流要大，通态电阻小，反向耐压足够(应按24V时变压器次级变换反向电压计算)，且寄生二极管反向恢复时间则要短。经对实际电路的分析计算，选用Onsemi公司生产的MTY100N10E的MOSFET管，其耐压电压为100V,通态电流为100A,通态电阻为11m!,反向恢复时间为145ns,开通延迟时间和关断延迟时间分别为48ns和186ns,能满足系统工作要求。

[p] [p]

4.3不同输入交流电压时的开关管电压波形

图6(a)、(b)是负载为12V/1.1A、24V/3.2A时，不同ui下实测的开关管VT1漏极电压ud的波形。可见当ui在低压段90~150V时，ud为252V,并保持不变;当ui在高压段210~260V时，ud一直保持382V不变。由此说明，电源系统实现了输出电压跟随输入交流电压变化的目标。

4.4输出纹波电压波形

图7(a)和图7(b)分别是负载为12V/4.5A、24V/5A时的输出纹波电压波形。图7(a)中12V时输出纹波电压ur≈25mV,峰-峰值up-p≈104mV;图7(b)中24V时输出纹波电压ur≈32mV,峰-峰值up-p≈185mV。

在实测以上各关键点波形的同时，用WT3000型高精度功率分析仪观察功率因数cos!的校正效果：

当电源系统不工作时，cos!只有0.625左右，但当系统运作后，cos!逐渐升高并稳定在0.952以上，最高时达到0.989。可见，设计的电源系统实现了功率因数提升的功能。

4.5实验数据

不同负载和输入交流电压下测试的实验数据见表1。表中Ui、Ii;UO、IO;Pi、PO分别表示整个电源系统的交流输入电压、输入电流;输出电压、输出电流;输入功率、输出功率。

以上样机测试结果验证了设计方案的合理性，说明本文所做工作是有成效的。

5 结论

由于采用APFC技术和同步整流技术并采取了电压电流双闭环反馈控制方案以及一系列抑制电磁污染措施，本文所设计的反激式开关电源与普通开关电源相比，具有更低的功耗和电磁污染，而且对样机实测的功率因数cos!高于0.95。在输出端电压分别为12V和24V时对应系统输出纹波电压实测约为104mV和185mV,THD值达到3.75%以下，符合EMI国家标准，整个电源系统的效率范围为85.8%≤η≤87.9%。

因此，本文设计的开关电源符合“绿色电源”的研发方向，可以应用于各种中小功率电子设备，尤其是无线通信基站和移动式电子装置中的高精度稳压电源等，具有较高的实际应用价值。

参考文献

[1] 张占松， 蔡宜三。开关电源的原理与设计[M].北京： 电子工业出版社，2002.

[2] 周志敏， 周纪海， 纪爱华。 开关电源功率因数校正电路设计与应用[M]. 北京：人民邮电出版社， 2004.

[3] 张恩利， 侯振义。 有源功率因数校正技术[J]. UPS 应用， 2005, 3( 7) :29- 34.

[4] Bing, Zhonghui; Chen, Min; Miller, Stephanie K.T.Recent Developments in Single - Phase Power Factor Correction [M]. Power Conversion Conference - Nagoya, 2007 :1520 - 1526.

[5] Zhao Q, XuM, Lee F C, et al. Single - switch Parallel Power Factor Correction AC- DC Converters with Inherent Load Current Feedback [J].IEEE Trans on Power Electronics, 2004, 19(4)： 928- 936.

[6] Sergio B M, Jean C C, Scott R, et al. Design of a Boost Power Factor Correction Converter Using Optimization Techniques [J]. IEEE Trans on Power Electronics, 2004, 19(6)： 1388- 1396.

[7] 阮新波严仰光。 直流开关电源的软开关技术[M]. 北京： 科学出版社， 2000.

[8] Ming Xu, Jinghai Zhou, Yang Qiu. Resonant Synchronous Rectification for High Frequency DC/DC Converter [J]. IEEE Proceeding of Applied Power Electronics Conference 2004, 2: 865—871.