绿色模式开关电源的研究与设计

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1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。

  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*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。

 


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