綠色模式開關電源的研究與設計
引言
中小功率開關電源以其諸多優良的性能，在測控儀器儀表、通信設備、學習與娛樂等諸多電子產品中得到廣泛的應用。隨著環境和能源問題日益突出，人們對電子產品的環保要求不斷提高，對電子產品的能源效率更加關注。設計無污染、低功耗、高效率的綠色模式電源已成為開關電源技術研究的熱點。
本文研究一種中小功率開關電源，應用過渡模式有源功率因數校正、準諧振變頻功率隔離變換控制和同步整流等多種先進的電源控制技術，以實現綠色開關電源設計的目的。
1 系統結構與工作原理
所研究的開關電源結構如圖1所示，采用兩級PFC結構，由PFC預變換器、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電路組成。交流電壓經整流后先輸入到PFC預變換器進行功率因數校正變換，再由電源控制電路控制隔離變換器，將直流電壓轉換成高頻交流脈沖電壓，此脈沖電壓經同步整流器整流、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重畸變，降低了輸入電路的功率因數，增加了線路電能損耗，而且還會產生大量諧波污染電網。解決上述問題的關鍵是改善輸入電流波形。這里采用boost有源功率因數校正技術，由boost變換器和以UCC38050為中心的PFC控制電路組成功率因數校正級，通過對電感電流的控制，在交流輸入端產生一個跟蹤正弦輸入電壓波形的正弦電流，實現功率因數校正，使輸入電路功率因數接近于l。電流波形校正原理如圖2所示，電感電流波形高頻脈動且臨界連續，通過相應的控制，在半個工頻周期內，使電感中電流的平均值跟隨全波整流電壓基準值，其包絡線呈正弦波形，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線。
UCC38050為過渡模式PFC控制器，功耗低，工作電流僅1．5mA．PWM開關頻率由自激振蕩產生而且頻率可變，不存在Boost二極管反向恢復過程，減少了反向恢復損耗，非常適合于中小功率綠色開關電源設計。
降低開關電源功耗的主要途徑是降低開關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、所需外部元件少的控制芯片及簡化外部控制電路來實現。這里主要討論降低開關損耗的措施。許多電子產品在使用中常處于輕載或待機狀態，而開關電源*率開關管的開關頻率都很高，當開關電源工作在輕載或待機狀態下時，開關損耗成為主要損耗，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下降低開關電源的開關頻率，從而使輕載效率保持與滿載時相同。圖1中，隔離變換控制電路采用準諧振電源控制器FA5531P及外圍元件構成。FA5531P的開關頻率不是由他激振蕩器決定的固定開關頻率，而是由自激振蕩決定。芯片在正常負載時保持固定頻率的準諧振開關狀態，輕載時自動降低開關頻率以減少空載損耗，最低開關頻率可降至1KHz，FA5531P開關頻率與輸出功率關系如圖3所示。FA5531P的另一個特點是具有內部啟動電路，從而也降低了待機功耗。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。
開關器件的寄生電容是引起開關損耗的重要因素。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。因此設計了谷底檢測電路探測功率開關管的電壓谷底，以控制開關管的零電壓開通，減小寄生電容引入的損耗，提高轉換效率。
整流采用同步整流技術，與快恢復二極管整流比較，同步整流采用通態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，采用在零電流時自動關斷外部功率開關的軟開關技術，減少了開關損耗，不需要另外的待機模式就可在控制運行時保持高效率。TEA1761具有高精度內部參考電壓，內部集成了輸出電壓和輸出電流調節電路，可以方便地對輸出電壓或輸出電流進行反饋控制。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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