【導(dǎo)讀】研究開關(guān)電源的人越來(lái)越多，如何能設(shè)計(jì)出低成本，高性能且兼容性強(qiáng)的開關(guān)電源是眾多設(shè)計(jì)工程師的目標(biāo)，本文所介紹的全電壓大功率開關(guān)電源設(shè)計(jì)方案，提出了一種新的設(shè)計(jì)思路， 提升了系統(tǒng)可靠性和耐用性，滿足低待機(jī)功耗及節(jié)能環(huán)保等要求。
相對(duì)于傳統(tǒng)線性電源，開關(guān)電源擁有體積小、重量輕、效率高等方生俱來(lái)的優(yōu)勢(shì)。因此近些年，研究開關(guān)電源的人越來(lái)越多，相應(yīng)的技術(shù)也層出不窮。研究成本低廉、性能可靠、兼容性強(qiáng)的開關(guān)電源成為眾多電源設(shè)計(jì)工程師不斷努力的目標(biāo)。
本文針對(duì)大功率開關(guān)電源提出一種無(wú)APFC的低成本全電壓設(shè)計(jì)方案，該方案使用自動(dòng)倍壓方式有效減小火牛直流輸入電壓的范圍，從而大大降低電源成本。同時(shí)結(jié)合過(guò)零檢測(cè)電路，可實(shí)現(xiàn)在無(wú)NTC-負(fù)溫度系數(shù)電阻狀態(tài)下的零壓零流啟動(dòng)，有效扼制浪涌電流，提高系統(tǒng)可靠性和耐用性。此外，能滿足“能源之星”的待機(jī)功耗要求，增強(qiáng)了技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力的同時(shí)，可滿足了節(jié)能環(huán)保的要求。
全壓電源
統(tǒng)計(jì)全世界交流電壓，可以將電壓分為：日本為代表的100V，美國(guó)為代表的120V，墨西哥為代表的127V，中國(guó)為代表的220V，歐洲多為230V，澳大利亞240V。因此，世界各國(guó)電壓分布在100V-127V和220V-240V兩個(gè)電壓段。即若能滿足這兩個(gè)電壓段要求的開關(guān)電源，即可認(rèn)為是全電壓開關(guān)電源。實(shí)現(xiàn)全壓的開關(guān)電源目前大致可分為：普通無(wú)級(jí)式、APFC無(wú)級(jí)式、自動(dòng)倍壓式。
1、普通無(wú)級(jí)式開關(guān)電源
普通無(wú)級(jí)開關(guān)電源在小功率開關(guān)電源中應(yīng)用非常廣泛。在小于300W的小功率段，設(shè)計(jì)者通常在兼顧結(jié)構(gòu)和成本的前提下，采用100-240V的全段電壓方案。雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但對(duì)功率器件(如：火牛、開關(guān)管、整流管)則提出了較高要求。由于在一定范圍器件參數(shù)的提高對(duì)于價(jià)格并無(wú)太大影響，使得在小功率段具備相當(dāng)?shù)男詢r(jià)比的。隨著功率上升，電源對(duì)各部分的功率器件提出了新的要求，這個(gè)要求在價(jià)格上和技術(shù)上都有較大的困難。
2、APFC無(wú)級(jí)式開關(guān)電源
APFC是主動(dòng)式PFC，使用專用PFC控制器。
電路功率元件由標(biāo)準(zhǔn)的boost電路組成，通過(guò)電壓和電流的雙重反饋，其中電壓位于外環(huán)，而電流位于內(nèi)環(huán)。因此，APFC在保證輸出端恒定電壓的同時(shí)，使得電流的波形為正弦波。
APFC無(wú)級(jí)式開關(guān)電源的好處：
①較大的提高功率因數(shù)；
②可以兼容輸入100-240V全段電壓；
③EMC方面有很好的改善。
APFC無(wú)級(jí)式開關(guān)電源不足之處：
①體積和重量有所增大；
②電源成本大概有百分之五十的上升。
3、自動(dòng)倍壓式開關(guān)電源
鑒于手動(dòng)操作的種種弊端，以及世界各國(guó)電壓規(guī)律，自動(dòng)倍壓式在手動(dòng)倍壓式基礎(chǔ)加以改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了低電壓國(guó)家輸入電壓的自動(dòng)切換。自動(dòng)倍壓開關(guān)可以采用繼電器、MOSFET、IGBT、可控硅。由于該設(shè)計(jì)應(yīng)用在50-60Hz的工頻條件下，考慮過(guò)零要求，以及生產(chǎn)成本。
選用可控硅作為開關(guān)切換器件。可控硅在成本上有著極大的優(yōu)勢(shì)，而響應(yīng)速度又能滿足要求。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理
電源基本指標(biāo)：額定輸出1200W，峰值功率2400W；輸入電壓可AC100-127V和220-240V；輸出電壓為DC160V，系統(tǒng)滿足全球電壓兼容的同時(shí)，兼具備低于0.3瓦的超低待機(jī)功耗能力。
1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
整機(jī)系統(tǒng)可分為主電源部分用來(lái)給功放部分提供電力。輔助電源提供初級(jí)控制電路和次級(jí)控制電路使用。控制器用來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)電壓識(shí)別及倍壓功能，同時(shí)結(jié)合MCU實(shí)現(xiàn)遙控喚醒系統(tǒng)功能。AC轉(zhuǎn)DC的整流部分，輔助電源與主電源設(shè)計(jì)成獨(dú)立供電方式。在待機(jī)模式中輔助電源脫離主電源整流部分，這樣為低待機(jī)功耗提供了硬件基礎(chǔ)。
2、主電源
2.1、主電源設(shè)計(jì)
主電源采用移相全橋拓?fù)洹Ｈ珮螂娐芬子趯?shí)現(xiàn)大功率的輸出，而移相全橋作為全橋電路的改良版本，在整機(jī)效率方面更具備優(yōu)勢(shì)。橋式電路中串入諧振電感，諧振電感與MOS管的寄生輸出電容Coss之間諧振。從而在MOS管開啟之間使得DS端電壓為零，實(shí)現(xiàn)零壓開啟。因?yàn)閷?shí)現(xiàn)了MOS管的零壓開啟，降低了驅(qū)動(dòng)電路以及MOS管Qg常數(shù)的要求，使得器件成本也隨之降低。使用雙象可控硅作為倍壓開關(guān)。單向可控硅可斷開整個(gè)主電源的供電。當(dāng)可控硅完全斷開時(shí)，整個(gè)主電源電路上所有器件均無(wú)電流環(huán)路，除去可控硅本身極小的漏電流，主電路無(wú)功耗損失。
2.2、倍壓結(jié)構(gòu)和原理
倍壓方式與手動(dòng)倍壓原理一致，當(dāng)交流電壓處于1、2象限時(shí)，電流流向?yàn)?紅色軌跡)：AC+->D1->CAP1->K->AC-，電源給給電容CAP1充電，其電壓將達(dá)到交流峰值；當(dāng)交流電壓處于3、4象限時(shí)，電流流向?yàn)?綠色軌跡)：AC-->K->CAP2->D4->AC+，電源給電容CAP2充電，其電壓也將達(dá)到交流峰值。因此，整流后的電壓將會(huì)雙倍于開關(guān)斷開狀態(tài)的電壓。
AC輸入電壓為AC100V-127V和AC220V-240V，由公式可知整流輸出后電壓范圍為：
DC283-DC360V充分考慮器件分壓：如電容ESR、開關(guān)管壓降、EMI器件壓降，可以認(rèn)為在重載情況下整流導(dǎo)通約為60度，電壓取值可以認(rèn)為在：DC245V-DC360V，相對(duì)于普通全壓電源電壓取值范圍(將達(dá)到：DC122-DC360V)有大幅度衰減。
2.3、輔助電源
輔助電源采用反激RCD拓?fù)洹］o助電源為所有控制電路提供電力，由于整體要求功耗低于15W,選用反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的集成方案實(shí)現(xiàn)。
無(wú)論在體積和成本控制均為理想的選擇。集成方案中常引入了‘打嗝’模式很容易將功耗控制在0.3W以內(nèi)。
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2.4、控制電路
過(guò)零邏輯電路、倍壓邏輯電路、可控硅驅(qū)動(dòng)電路等組成控制電路。由于使用單向可控硅和雙向可控硅相結(jié)合可以切斷整流后級(jí)電路(包含濾波電容)，理論上后級(jí)電路零功耗。
結(jié)合輔助火牛，整機(jī)待機(jī)功耗可輕易控制在0.5W以內(nèi)，滿足‘能源之星’的要求。
2.4.1、過(guò)零電路
由于沒(méi)有NTC的阻流作用，控制電路還須實(shí)現(xiàn)ZVS控制。倍壓控制邏輯和ZVS控制邏輯必須保持同步。驅(qū)動(dòng)電路則使用光耦進(jìn)行隔離驅(qū)動(dòng)，有效避免可控硅驅(qū)動(dòng)電位不一致的問(wèn)題。
圖2-4中比較器U1-B可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)過(guò)零狀態(tài)，同時(shí)為避免多次過(guò)零判斷，加入R101完成過(guò)零邏輯自鎖。圖2-5和2-6為實(shí)測(cè)電壓和電流波形。
其中圖2-5為使用NTC限流電路，在電源開啟瞬間電壓和電流波形。圖2-6為零壓開關(guān)電路，電流得到很好的控制，電流有一個(gè)從‘0''''''''''''''''開始變大的過(guò)程。浪涌電流也低于NTC限流電路，浪涌電流得到明顯的控制，且不受開機(jī)間隔的限制，可以任意開關(guān)次數(shù)和頻率的限制，效果非常明顯。
自動(dòng)倍壓邏輯先于過(guò)零邏輯產(chǎn)生。圖2-4中，比較器U1-A實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸入電壓，其輸出邏輯與過(guò)零邏輯為’與‘的關(guān)系。倍壓邏輯電路一方面要能夠根據(jù)輸入電壓自動(dòng)實(shí)現(xiàn)倍壓操作，同時(shí)要能夠有效的防止干擾性波形，引起系統(tǒng)不必要的動(dòng)作甚至誤操縱的可能。如：當(dāng)負(fù)大幅度波動(dòng)時(shí)所帶來(lái)的輸入電壓的波動(dòng)，而這種波動(dòng)是在一定范圍內(nèi)活動(dòng)的，所以只需對(duì)門限進(jìn)行設(shè)定，便可以允許一定范圍內(nèi)的電壓波動(dòng)。而在開機(jī)過(guò)程中需要避免的是電路需要避開電壓上升過(guò)程帶來(lái)的倍壓誤操作和關(guān)機(jī)過(guò)程中，電壓的正常下跌時(shí)倍壓的誤操作。快速開關(guān)操作過(guò)程中，可能存在的倍壓誤操作。
2.4.2、可控硅驅(qū)動(dòng)
雙向可控硅的驅(qū)動(dòng)方面對(duì)工作象限較為敏感。令驅(qū)動(dòng)電壓方向?yàn)闄M軸，電流方向?yàn)榭v軸。對(duì)于雙向可控硅而言，最佳工作象限為一象限其次是二三象限，第四象限通常不推薦。
工作在第四象限的區(qū)間內(nèi)，可控硅的損耗達(dá)到最大，而且對(duì)于di/dt的承受應(yīng)力也急劇下降。
因此，二三象限工作區(qū)間，既可保證可控硅的良好性能，又能簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路。
結(jié)論
本文所提出的解決全電壓的大功率電源，此電源擁有自動(dòng)倍壓、無(wú)NTC以及超低待機(jī)功耗的特點(diǎn)于一身。為追求環(huán)保的大功率開關(guān)電源提出了一種新的設(shè)計(jì)思路，給出了一種新的解決方案，具備較強(qiáng)的實(shí)用性和商用性。
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