綠色模式開關(guān)電源的研究與設(shè)計(jì)
引言
中小功率開關(guān)電源以其諸多優(yōu)良的性能，在測控儀器儀表、通信設(shè)備、學(xué)習(xí)與娛樂等諸多電子產(chǎn)品中得到廣泛的應(yīng)用。隨著環(huán)境和能源問題日益突出，人們對電子產(chǎn)品的環(huán)保要求不斷提高，對電子產(chǎn)品的能源效率更加關(guān)注。設(shè)計(jì)無污染、低功耗、高效率的綠色模式電源已成為開關(guān)電源技術(shù)研究的熱點(diǎn)。
本文研究一種中小功率開關(guān)電源，應(yīng)用過渡模式有源功率因數(shù)校正、準(zhǔn)諧振變頻功率隔離變換控制和同步整流等多種先進(jìn)的電源控制技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)綠色開關(guān)電源設(shè)計(jì)的目的。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理
所研究的開關(guān)電源結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用兩級(jí)PFC結(jié)構(gòu)，由PFC預(yù)變換器、隔離變換器和同步整流電路組成的DC／Dc變換器以及檢測與保護(hù)電路組成。交流電壓經(jīng)整流后先輸入到PFC預(yù)變換器進(jìn)行功率因數(shù)校正變換，再由電源控制電路控制隔離變換器，將直流電壓轉(zhuǎn)換成高頻交流脈沖電壓，此脈沖電壓經(jīng)同步整流器整流、濾波電路濾波后，得到所需的直流。
由于整流電路中二極管等非線性元件的作用，導(dǎo)致輸入的交流電壓雖然是正弦波，但輸入的交流電流波形嚴(yán)重畸變，降低了輸入電路的功率因數(shù)，增加了線路電能損耗，而且還會(huì)產(chǎn)生大量諧波污染電網(wǎng)。解決上述問題的關(guān)鍵是改善輸入電流波形。這里采用boost有源功率因數(shù)校正技術(shù)，由boost變換器和以UCC38050為中心的PFC控制電路組成功率因數(shù)校正級(jí)，通過對電感電流的控制，在交流輸入端產(chǎn)生一個(gè)跟蹤正弦輸入電壓波形的正弦電流，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正，使輸入電路功率因數(shù)接近于l。電流波形校正原理如圖2所示，電感電流波形高頻脈動(dòng)且臨界連續(xù)，通過相應(yīng)的控制，在半個(gè)工頻周期內(nèi)，使電感中電流的平均值跟隨全波整流電壓基準(zhǔn)值，其包絡(luò)線呈正弦波形，且相位與電壓相同。圖中，iL為電感電流，iA為電感平均電流，ip為電感電流峰值包絡(luò)線。
UCC38050為過渡模式PFC控制器，功耗低，工作電流僅1．5mA．PWM開關(guān)頻率由自激振蕩產(chǎn)生而且頻率可變，不存在Boost二極管反向恢復(fù)過程，減少了反向恢復(fù)損耗，非常適合于中小功率綠色開關(guān)電源設(shè)計(jì)。
降低開關(guān)電源功耗的主要途徑是降低開關(guān)損耗和控制電路功耗。減少控制電路功耗可通過選擇功耗低、功能強(qiáng)、所需外部元件少的控制芯片及簡化外部控制電路來實(shí)現(xiàn)。這里主要討論降低開關(guān)損耗的措施。許多電子產(chǎn)品在使用中常處于輕載或待機(jī)狀態(tài)，而開關(guān)電源*率開關(guān)管的開關(guān)頻率都很高，當(dāng)開關(guān)電源工作在輕載或待機(jī)狀態(tài)下時(shí)，開關(guān)損耗成為主要損耗，相對損耗大大增加，效率降低。降低輕載損耗的有效方法是在輕載狀態(tài)下降低開關(guān)電源的開關(guān)頻率，從而使輕載效率保持與滿載時(shí)相同。圖1中，隔離變換控制電路采用準(zhǔn)諧振電源控制器FA5531P及外圍元件構(gòu)成。FA5531P的開關(guān)頻率不是由他激振蕩器決定的固定開關(guān)頻率，而是由自激振蕩決定。芯片在正常負(fù)載時(shí)保持固定頻率的準(zhǔn)諧振開關(guān)狀態(tài)，輕載時(shí)自動(dòng)降低開關(guān)頻率以減少空載損耗，最低開關(guān)頻率可降至1KHz，F(xiàn)A5531P開關(guān)頻率與輸出功率關(guān)系如圖3所示。FA5531P的另一個(gè)特點(diǎn)是具有內(nèi)部啟動(dòng)電路，從而也降低了待機(jī)功耗。FA5531P自身功耗很低，工作電流僅1．5mA，集成度高，只需極少的外部元件。
開關(guān)器件的寄生電容是引起開關(guān)損耗的重要因素。功率MOSFET的阻斷電壓較大，開通過程中，因寄生電容的存在而引入的損耗也大。因此設(shè)計(jì)了谷底檢測電路探測功率開關(guān)管的電壓谷底，以控制開關(guān)管的零電壓開通，減小寄生電容引入的損耗，提高轉(zhuǎn)換效率。
整流采用同步整流技術(shù)，與快恢復(fù)二極管整流比較，同步整流采用通態(tài)電阻極低的專用功率MOSFET，同步控制功率MOSFET零電壓開通，不但功耗低，還可降低噪音。由于電流越小功率MOSFET導(dǎo)通壓降越低，這一特性對于改善輕載效率尤為有效。同步整流控制采用同步整流控制器TEA1761控制，采用在零電流時(shí)自動(dòng)關(guān)斷外部功率開關(guān)的軟開關(guān)技術(shù)，減少了開關(guān)損耗，不需要另外的待機(jī)模式就可在控制運(yùn)行時(shí)保持高效率。TEA1761具有高精度內(nèi)部參考電壓，內(nèi)部集成了輸出電壓和輸出電流調(diào)節(jié)電路，可以方便地對輸出電壓或輸出電流進(jìn)行反饋控制。作為一款綠色芯片，TEA1761不但自身功耗低(最大功耗不超過0．5W)，而且從空載到滿載都具有高的變換效率。
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