《精编》高效率开关电源的其他设计思维讲义

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1、 三 高效率开关电源的其他设计思路 1 级联方式的开关电源 可以发挥各变换器的优点 避免缺点 实现性能最佳 效率最高 1 一种AC DC变换器的高效率解决方案 PFC的附加作用 考虑电磁干扰及二极管的反向恢复造成的损耗等因素 小功率PFC宜采用临界电流型控制方式 本级可以采用MC33368或KA7524或其它适用于小功率输出的PFC控制IC PFC除设置输出反馈以稳定输出电压外 设置PFC输出电压反馈防止输出反馈开路 正常工作时 仅输出反馈起作用 通过调节PFC输出电压稳定输出电压 当PFC的输出电压为400V时 输出纹波电压分别为1 3 所需的滤波电容器约为 1 2 F W和0 4 F W

2、在通常的滤波电容的选择容量范围内 因此 经过PFC的预稳定的作用 其输出电压的稳定程度基本符合应用要求 后面的可以仅完成隔离作用即可 输出整流器损耗 通常输出整流器的导通损耗 特别是低电压输出时 占整机损耗的很大比重 在12V以上的输出电压需要选用耐压200V以上的超快速二极管作为输出整流器 其导通电压约1 2 1 4V 在输出分别为12 24 48V时输出整流器的效率 不考虑开关损耗 分别为 以导通电压1 3V计 不会高于90 26 94 8 97 6 以上综合起来 采用常规技术尽管可以使电源效率达到或超过90 而且 即使在较高的输出电压时 整流器的导通损耗仍然是整机损耗中几乎是最大的 如有

3、可能 采用肖特基二极管 导通压降分别为 0 3V 0 4V 0 7V 则这一级的效率分别为 96 1 98 3 98 5 则这部分损耗可以降低50 以上 隔离变换器分析 由于PFC级具备稳压功能 故隔离级采用非稳压半桥变换器 以尽可能地提高整机效率 主回路如图2 a 非稳压半桥变换器的两开关管分别可以工作在近50 占空比 这时不仅开关管的利用率最高 而且实现了零电压开关 变换器的最小死区时间仅受开关管的关断延迟的限制 当非稳压半桥变换器工作在这种状态下 Q2导通期间电流流向如图2 b 当Q2由导通变为关断 变压器的漏感电流不能跃变 由于Q2的关断 变压器的漏感电流分别对Q2 Q3的源 漏寄生电

4、容充 放电 使A点电压由电源电压的高电位转变为低电位 使与Q3反并联的二极管D3导通 提供变压器的漏感电流通路 形成了事实上的零电压关断 如图2 c 当变压器的漏感电流降到零前 使Q3导通 由于死区时间不到1 S 很容易满足 使Q3在 零电压 导通 如图2 d Q3关断 Q2导通的过程与上述描述相同 不在赘述 从而实现了 零电压 开关 使开关管的损耗几乎仅为导通损耗 本文的应用实例中 Q2 Q3选用IRFR320结温为100 时的导通电阻为3 满载时的工作电流约为300mA 导通压降为1V 占电源电压的0 25 这样半桥的两个开关管的损耗可以小于整机输入功率的1 隔离变压器由于工作在特定的工作

5、状态 因而 其效率也非常高 大约为整机输入功率的1 肖特基整流二极管 由于隔离级开关管的占空比接近100 98 不仅流过输出整流器的电流的有效值最小 而且 输出级全波整流器的耐压仅需输出电压的2倍 对于输出为24V输出 完全可以选用耐压60V的肖特基整流二极管即可满足要求 而耐压60V的肖特基整流二极管的导通压降 大幅度降额使用 约0 2倍额定电流 可以达0 35V甚至0 3V以下 这样本级效率实际可达约97 98 基本思路与工作原理 原理框图 开关管的漏 源极电压波形 部分测试结果 输入电压为85VAC 满载 19V 3 16A 条件下的电源效率可以达到91 功率因数为0 9895 总谐波失

6、真 14 45 电源适配器输入电流的谐波分析 小结 利用PFC的稳压作用 将输出电压的稳定用PFC来调节 这样就可以使隔离型变换器工作在最大占空比状态 无需调节脉冲宽度 这就为自然零电压开关创造了条件 可以获得非常高的效率 输出整流器采用肖特基二极管大幅度电流降额 获得了利用最简单的电路 最高的效率的结果整个电路无散热器 变形CUK变换器与自然零电压开关变换器组合 变形CUK变换器可以获得比BCUK变换器还高的效率和安静输入输出特性 2 利用变形CUK电路的功率因数校正 具有限流功能 PFC输出电压低于输入电压 可以使后级PWM的实现更容易 更高效 PFC滤波电容器可以是低压的 有利于降低成本

7、 启动电路与频率调节的解决方案 启动电路简介 图中 直流母线电压通过150k电阻对100 F电容器充电 为了防止TL494的大约7mA的工作电流影响100 F电容器的充电 设置了Q1 Q2 为核心的启动电路 在100 F电容器电压达到15V前Q1 Q2不导通 当100 F电容器电压达到15V时 Q2导通 使Q1导通 TL494开始工作由100 F电容器为TL494供电 当辅助绕组为TL494供电后 启动电路的作用结束 通过启动电路的应用 可以使像应用TL494一类的PWM控制芯片的开关电源可以在低启动电流下启动 输出电压调节设计思路 输出功率的调节可以将输出电压误差放大信号的接收端 光电耦合器

8、的观点晶体管 与电阻RT1串联 连接到TL494的基准电压段和定时电阻端实现 功率因数校正与待机电源设计思路 功率因数校正部分可以采用常规的电流临界型PFC控制芯片 待机电路可以选择TinySwitch或其他单片开关电源芯片 2 单级功率因数校正 单级功率因数校正最大的优点是电路简单 可以在基本上不增加主要元件和成本的基础上实现功率因数校正的功能 用以及功率变换实现PFC和DC DC隔离变换 基本思路 利用电流断续型反激式变换器在相同的导通时间条件下电感峰值电流正比于直流母线电压的特点 将每个工频电源周期的开关时间固定 就可以得到峰值电流按正弦规律变化的锯齿波电流 将每个开关周期的电流 平滑

9、后 可以得到 平滑 后的 正弦半波 电流 这个电流反射到交流侧就是完整的 正弦波 电流 从而实现了功率因数校正 电流断续型反激式变换器在正弦电压作用下的电感峰值电流和 平均电流 波形 对应的公式 从波形和数学推导可以看到 将每一个开关周期的电感电流波形 平滑 后 可以得到这样 平滑 后的电流波形的组合称为 正弦 波电流波形 这样 就获得到与电网电压波形相同 相位相同的电流波形 从而获得 1 的功率因数 具体实现方案 1 ONSemi的解决方案 电路特点 利用反激式变换器的特点 采用单及功率变换实现了PFC和DC DC隔离变换 采用了准谐振技术 使得开关损耗降低到最小 从而获得高效率 具有小于1

10、W的待机功率 电路板照片 电路参数 效率分析 谐波分析 1 谐波分析 2 谐波分析 3 谐波分析 4 3 应用TOPSwtch的解决方案 不仅ONSemi公司的NCP1651可以实现单级功率因数校正 其他的芯片业可以实现单级功率因数校正 只要是反激式茄电流工作模式就可以简单的实现单级功率因数校正 利用TOPSwitch实现单级功率因数校正就是一个应用实例 应用实例的电路 实物电路板图片 电路特点与控制思路 只要在一个工频周期内开关管的占空比不变就可以实现功率因数校正 利用TOPSwitch的控制极电流与占空比的固定关系 只要控制TOPSwitch的控制极电流在一个工频周期内相对不变即可 220

11、V供电 满负载条件下的谐波分析 220V供电 满负载条件下的功率因数分析 高次谐波分量 变压器参数 电路板图 变压器的绕法 变压器的参数 变压器绕组结构 交流输入侧电感L1 交流输入侧电感L1参数 交流输入侧电感L1的作用 从电感的电器参数看 其主要功能为差膜电感 主要用于滤除开关频率的交流电流成分 满载时的效率 效率与电源电压的关系 输出电压与输出电流的关系 功率因数与电源电压的关系 功率因数与电源电压的关系 测试波形 1 测试波形 2 测试波形 3 测试波形 4 测试波形 5 温升 热图 应用反激式变换器的单级功率因数校正电路的特点 由于电路需要保证交流输入电流正弦化 不随瞬态负载变化 因

12、此控制电路对瞬态变化的负载电流不应敏感 应表现得迟钝 控制电路应首先满足功率因数校正的要求 输出稳压则是在满足功率因数的基础上获得满足 常规功率因数校正出数电容器的作用 常规功率因数校正的输出有一个平滑电容器 作为储能以缓冲变化的交流输入与平稳得直流输出的矛盾 不仅如此 后级的DC DC变换器还具有电压调节能力 这就保证了开关电源输出电压的平稳 存在的问题 由于平滑电容器接在整个电路的输出端 中间缓冲的电容器不再存在 输出电压的平滑完全落在输出平滑电容器上 如果这个平滑电容器的电容量不是十分大 就可能造成输出电压纹波过大 为了获得1Vp p的纹波电压 需要约1600 F A的电容量 如果输出电

13、流是10A 则需要16000 F的电容量 存在的问题 然而 即使采用相对常规开关电源而采用超大电容量的平滑电容器 所获得的1Vp p的纹波电压峰值 在绝大多数的应用中也是绝对不允许的 因此这种单级功率因数校正方式的应用是有问题的 这种应用方案的适应领域 将滤波电容器置于输出端的单级功率因数校正最大的问题就是需要极大的输出滤波电容器 按纹波峰 峰值电压1V计 每安培电流需要1200 F的电容量 对于低电压输出的需求 1V纹波峰 峰值电压显得太高 如减小到0 1V则每安培输出电流需要12000 F的电容量 这是一个巨大的数字 实现起来不经济 因此这种方案适应于负载侧带有稳压功能 如笔记本电源适配器

14、 带有负载点稳压电路的应用以及充电器等 2 Infineon的解决方案 电路特点 克服了上述的单级功率因数校正的不足 在220V直接整流设置功率因数校正和支撑电容器 用一个开关管同时控制功率因数校正和DC DC隔离变换器 电路变换思路 很显然 电路变幻的最终结果是省掉了一个控制IC和开关管 与常规的带有RCD缓冲电路反激式DC DC变换器相比之多了一个电感 由于这个电路是boost和反激式的组合 boost输出有平滑电容器缓冲输入变化功率对输出的影响 因此这种功率因数校正方式的输出电压比较平稳 80W电视机电源电路 电路板图 元件排布图 电路板图 PCB 200W充电泵形式的单级功率因数校正的

15、解决方案 关键波形 特点 采用Infineon的解决方案不仅可以获得可以满足要求的功率因数校正指标 还可以获得与常规开关电源相近的稳压性能 低输出电压纹波 可以实现准谐振功能 具有良好的低输出电压尖峰的特点 特别是用于电视机 显示器等对输出电压尖峰有严格要求的电源 4 DC DC高效率模块解决方案 美国National的解决方案 电路特点 采用级联式功率变换 利用具有同步整流器功能的降压型变换器调节输出电压的稳定 同时为DC DC隔离变换器的零电压开关创造条件 输出整流器采用零电压开关同步整流器 不仅获得尽可能低的导通损耗 还可以基本上消除同步整流器的开关损耗 整个电路的开关损耗仅仅为降压型变换器的开关损耗 顶层丝印 顶层 第二层 第三层 底层 底层丝印 四 输出滤波电容器的选择要点 1 开关频率不很高时 需要考虑到容量 但是电容器的ESR和可以承受的纹波电流必须考虑 2 开关频率很高 如200kHz以上 主要考虑电容器的ESR和纹波电流承受能力 3 随着大电容量陶瓷电容器的问世和价格越来越低 陶瓷电容器将是输出滤波电容器越来越多地选择