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1、一种高效反激式开关电源的设计与性能测试由于传统开关电源存在对电网造成谐波污染以及工作效率低 等问题，因此目前国内外各类开关电源研究机构正努力寻求运 用各种高新技术改善电源性能。其中，在开关电源设计中通过 功率因数校正PFC (Power Factor Correction)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。本文设计并制作了一种高效低电磁污染的开关电源样机。测试 结果表明，该电源具有优良的动态性能、较高的功率因数和工 作效率，且控制简单，故具有一定的实际应用价值。1开关电源设计方案开关电源的结构如图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
2、路、DC/DC变换器三大部分组成。图i开美电源组成旨周220V交流电经整流供给功率因数校正电路，采用Boost型PFC 来提高电源的输入功率因数，同时降低了谐波电流，从而减小 了谐波污染。PFC的输出为一直流电压UC，通过DC/DC变换可 将该电压变换成所要求的两输出直流电压Uo1（12V）和 Uo2（24V）。从图中可以看出，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。同时设计中还采用 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
3、能 力，又可以降低工作损耗。为保证开关电源的性能，电源实际制作时还附加了一些电路: 保护电路。防止负载本身的过压、过流或短路；（2）软启动 控制电路。它能保证电源稳定、可靠且有序地工作，防止启动 时电压电流过冲；（3）浪涌吸收电路。防止因浪涌电压电流而 引起输出纹波峰-峰值过高及高频辐射和高次谐波的产生。2开关电源主要器件选择2.1 APFC芯片及控制方案 电源中功率因数校正电路以Infineon （英飞凌）公司生产的TDA4863芯片为核心，电路如图2所示。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
4、和整 个系统的输出电压。图芝 APFC 电www.dianyuan.c0m2.2准谐振DC/DC变换器DC/DC变换器的类型有多种7，为了保证用电安全，本设计 方案选为隔离式。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，其激励电路复杂， 实现起来较困难；而正激式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的情况，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稳定不变。本设计米用ONSMEI（安森美）准谐振型PWM驱动芯
5、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DC/DC反激式变换器电路，其 工作原理为：PFC输出直流电压UO, 一路直接接变压器初级线 圈L1,另一路经电阻R3接到NCP1207高压端8脚，使电路起 振，形成软启动电路；NCP1207的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，辅助线圈释放能量，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NCP1207的1脚，来判断VT软开通时刻；光耦 P1反
6、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NCP1207的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NCP1207的3脚，此为电 流反馈环节。G LDnF2.3同步整流管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，以最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，VT1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VT1， 故MOSFET与整流二极管一样只能
7、单向导通。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，反向耐压足够大（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100V，通态电流为100A，通态电阻为11MQ，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。3降耗及降电磁污染的手段3.1降耗措施 利用TDA4863芯片优越性能TDA4863的性能特点是：当输入电压较高时，片内APFC电路 从电网中吸取较多的功率；反之，当输入电压较低时则吸收较
8、少的功率，这就抑制了产生谐波电流，使功率因数接近单位功 率因数；片内还包含有源滤波电路，能滤除因输出电压脉动而 产生的谐波电流;芯片的微电流工作条件也降低了元器件的损 耗。电压电流双闭环反馈因整机系统形成双闭环系统，DC/DC变换器输出稳定电压时既 增大了输入电阻又减小输出电阻，达到了闭环控制的目的。变 换器在较大功率时呈现同步整流方式，较小功率时开关管、整 流管均为零电压开通，同步整流或零电压开通都极大地降低了 管耗。3.2降低电磁污染措施(1) 交流侧设置电磁干扰(EMI)滤波器设置EMI滤波器的目的是抑制电源线上传导的高频干扰，同时 防止电源装置产生的谐波污染电网。(2) 直流侧安装滤波
9、电容器 在整流桥的两端并联了四只滤波电容器，可削弱整流部分对系 统工作的影响。(3) 优化元器件布局减小连线距离 在一次整流回路中将二极管与变压器接近，而在二次整流回路 中将二极管与变压器和输出电容都设置得比较靠近。(4) 合理接地一方面为降低接地阻抗、消除分布电容的影响，安装时将需要 接地部分就近接到该端；另一方面分别将低频电路、高频电路 和功率电路的公共端单独连接后，可接到参考地端。4样机测试结果分析4.1整流桥和开关管测试波形采用泰克(Tektronix)示波器TDS5034B对实验电路进行测试， 图4是后级DC/DC变换器负载为12V/1.53A及24V/1.70A时的 波形。其中，u
10、dr和ud分别为开关管VT1驱动电压及其漏极 电压，u5为TDA4863的5脚电压，即电感零电流检测电压， ui为整流桥正弦半波输出电压。由图可知，ud幅值因为钳位 而基本不变，呈高频矩形波；u5的包络线显现出电感平均电 流波形接近于正弦波形。当ui为谷点时振荡频率f0明显降低， 因此时电流基准信号也处于低谷，且输出功率一定时很小的峰 值电流无法使u5升高；在ui峰值附近f0也较低，因为电流 基准信号亦处于峰值附近，电感电流峰值和输出功率都较大， 但因输出平均功率一定，故f0降低。vt.ASiH 4苹凯岳也祎美首逐袂拽取F5I* *4.2不同输入交流电压时的开关管电压波形 图5是负载为12V/
11、1.1A、24V/3.2A时，不同的ui下实测的开 关管VT1漏极电压ud的波形。由图可知，当ui在90V-150V 低压段时，ud为252V，并保持不变；当ui在210V-260V高 压段时，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。lEn A 210 - 2f珥 VT,明般电氏港艳?不间曾人交镣电压下烈德第计关能告jjft宥廿血,4.3输出纹波电压波形图6为APFC的输出高频和低频纹波电压。由图可知，高频纹 波电压约为3V左右，低频纹波频率为100Hz时，波动电压约 为10V。因后级为反激式DC/DC变换器，故对输出电压无影响。4.4开关电源
12、主要项目测试数据 不同负载和输入交流电压下测试的实验数据如表1所示，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。样机功率因数cos0是采用WT3000型高精度功率分析 仪测试得到。具体测试情况是：电源系统未启动时，COS0只 有0.625左右，但当系统工作后，cos逐渐升高并达到0.952 以上，峰值点可达0.989,可见电源系统对功率因数的提升是 明显的。J? 1不hl如观利输入室流电k F的拱推魏昏J.Jh.5用*m伽w,，唾朴24h24-h40nwJj.jth ?,744LW*K7.Q-1-CbI
13、DI.In.M1! KW址好2.73-22.00_9?46.21W% ll1 弟1.网2571翩.壮(LU骷.事1 I.WSW2:E22.73-3U3.0 土嘟llt1 L6l:LL繇156M5.U 土卯】标9C.RT1.3-11.Wy.wJ, 14.*l，陋源惭mny希in,茹肘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素COS0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值低至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%q W87.9%。因此，所设计的开关电源具有较高的实际 应用价值，可以将其应用于各种中小功率的电子设备中。
