一款高效反激式開關電源的設計以及性能測試

本文設計并制作了一種高效低電磁污染的開關電源樣機。測試結果表明，該電源具有優良的動態性能、較高的功率因數和工作效率，且控制簡單，故具有一定的實際應用價值。

開關電源設計方案

開關電源的結構如圖1所示，它主要由220V交流電壓整流及濾波電路、功率因數校正電路、DC/DC變換器三大部分組成。

220V交流電經整流供給功率因數校正電路，采用Boost型PFC來提高電源的輸入功率因數，同時降低了諧波電流，從而減小了諧波污染。PFC的輸出為一直流電壓UC，通過DC/DC變換可將該電壓變換成所要求的兩輸出直流電壓Uo1(12V)和Uo2(24V)。

從圖中可以看出，本電源系統設計的關鍵是在整流濾波器和DC/DC變換器之間加入了功率因數校正電路，使輸入電流受輸入電壓嚴格控制，以實現更高的功率因數。同時設計中還采用同步整流技術以減少整流損耗，提高DC/DC變換效率。選用反激式準諧振DC/DC變換器，既能增強對輸入電壓變化的適應能力，又可以降低工作損耗。

為保證開關電源的性能，電源實際制作時還附加了一些電路：(1)保護電路。防止負載本身的過壓、過流或短路；(2)軟啟動控制電路。它能保證電源穩定、可靠且有序地工作，防止啟動時電壓電流過沖；(3)浪涌吸收電路。防止因浪涌電壓電流而引起輸出紋波峰-峰值過高及高頻輻射和高次諧波的產生。

開關電源主要器件選擇

1、APFC芯片及控制方案

電源中功率因數校正電路以Infineon(英飛凌)公司生產的TDA4863芯片為核心，電路如圖2所示。開關管VT1選用增強型MOSFET。具體控制方案為：從負載側A點反饋取樣，引入雙閉環電壓串聯負反饋，以穩定DC/DC變換器的輸入電壓和整個系統的輸出電壓。

2、準諧振DC/DC變換器

DC/DC變換器的類型有多種[7]，為了保證用電安全，本設計方案選為隔離式。隔離式DC/DC變換形式又可進一步細分為正激式、反激式、半橋式、全橋式和推挽式等。其中，半橋式、全橋式和推挽式通常用于大功率輸出場合，其激勵電路復雜，實現起來較困難;而正激式和反激式電路則簡單易行，但由于反激式比正激式更適應輸入電壓有變化的情況，且本電源系統中PFC輸出電壓會發生較大的變化，故本設計中的 UC/UO變換采用反激方式，有利于確保輸出電壓穩定不變。

本設計采用ONSMEI(安森美)準諧振型PWM驅動芯片NCP1207，它始終保持在MOSFET漏極電壓最低時開通，改善了開通方式，減小了開通損耗。

圖3是利用NCP1207芯片設計的DC/DC反激式變換器電路，其工作原理為：PFC輸出直流電壓UO，一路直接接變壓器初級線圈L1，另一路經電阻R3 接到NCP1207高壓端8腳，使電路起振，形成軟啟動電路;NCP1207的5腳輸出驅動脈沖開通開關管VT，L1存儲能量，當驅動關閉時，線圈L2和 L3釋放能量，次級經整流濾波后供電給負載，輔助線圈釋放能量，一部分經整流濾波供電給VCC，形成自舉電路，另一部分經電阻R1和R2分壓后送到 NCP1207的1腳，來判斷VT軟開通時刻；光耦P1反饋來自輸出電壓的信號，經電阻R7和電容C2組成積分電路濾波后送入NCP1207的2腳，以調節輸出電壓的穩定，此為電壓反饋環節。電阻R6取樣主電流信號，經串聯電阻R5和電容C4組成積分電路濾波后送入NCP1207的3腳，此為電流反饋環節。

3、同步整流管

電源系統采用電流驅動同步整流技術，基本思路是通過使用低通態電阻的MOSFET代替DC/DC變換器輸出側的整流二極管工作，以最大限度地降低整流損耗，即通過檢測流過自身的電流來獲得MOSFET驅動信號，VT1在流過正向電流時導通，而當流過自身的電流為零時關斷，使反相電流不能流過VT1，故MOSFET與整流二極管一樣只能單向導通。

選擇同步整流管主要是考慮管子的通態電流要大，通態電阻小，反向耐壓足夠大(應按24V時變壓器次級變換反向電壓計　算)，且寄生二極管反向恢復時間要短。經對實際電路的分析計算，選用ONSEMI公司生產的 MTY100N10E的MOSFET管，其耐壓100V，通態電流為100A，通態電阻為11MΩ，反向恢復時間為145ns，開通延遲時間和關斷延遲時間分別為48ns和186ns，能滿足系統工作要求。

降耗及降電磁污染的手段

1、降耗措施

(1)利用TDA4863芯片優越性能

TDA4863 的性能特點是：當輸入電壓較高時，片內APFC電路從電網中吸取較多的功率;反之，當輸入電壓較低時則吸收較少的功率，這就抑制了產生諧波電流，使功率因數接近單位功率因數;片內還包含有源濾波電路，能濾除因輸出電壓脈動而產生的諧波電流；芯片的微電流工作條件也降低了元器件的損耗。

(2)電壓電流雙閉環反饋

因整機系統形成雙閉環系統，DC/DC變換器輸出穩定電壓時既增大了輸入電阻又減小輸出電阻，達到了閉環控制的目的。變換器在較大功率時呈現同步整流方式，較小功率時開關管、整流管均為零電壓開通，同步整流或零電壓開通都極大地降低了管耗。