一款高效反激式开关电源的设计以及性能测试

本文设计并制作了一种高效低电磁污染的开关电源样机。测试结果表明，该电源具有优良的动态性能、较高的功率因数和工作效率，且控制简单，故具有一定的实际应用价值。

开关电源设计方案

开关电源的结构如图1所示，它主要由220V交流电压整流及滤波电路、功率因数校正电路、DC/DC变换器三大部分组成。

220V交流电经整流供给功率因数校正电路，采用Boost型PFC来提高电源的输入功率因数，同时降低了谐波电流，从而减小了谐波污染。PFC的输出为一直流电压UC，通过DC/DC变换可将该电压变换成所要求的两输出直流电压Uo1(12V)和Uo2(24V)。

从图中可以看出，本电源系统设计的关键是在整流滤波器和DC/DC变换器之间加入了功率因数校正电路，使输入电流受输入电压严格控制，以实现更高的功率因数。同时设计中还采用同步整流技术以减少整流损耗，提高DC/DC变换效率。选用反激式准谐振DC/DC变换器，既能增强对输入电压变化的适应能力，又可以降低工作损耗。

为保证开关电源的性能，电源实际制作时还附加了一些电路：(1)保护电路。防止负载本身的过压、过流或短路；(2)软启动控制电路。它能保证电源稳定、可靠且有序地工作，防止启动时电压电流过冲；(3)浪涌吸收电路。防止因浪涌电压电流而引起输出纹波峰-峰值过高及高频辐射和高次谐波的产生。

开关电源主要器件选择

1、APFC芯片及控制方案

电源中功率因数校正电路以Infineon(英飞凌)公司生产的TDA4863芯片为核心，电路如图2所示。开关管VT1选用增强型MOSFET。具体控制方案为：从负载侧A点反馈取样，引入双闭环电压串联负反馈，以稳定DC/DC变换器的输入电压和整个系统的输出电压。

2、准谐振DC/DC变换器

DC/DC变换器的类型有多种[7]，为了保证用电安全，本设计方案选为隔离式。隔离式DC/DC变换形式又可进一步细分为正激式、反激式、半桥式、全桥式和推挽式等。其中，半桥式、全桥式和推挽式通常用于大功率输出场合，其激励电路复杂，实现起来较困难;而正激式和反激式电路则简单易行，但由于反激式比正激式更适应输入电压有变化的情况，且本电源系统中PFC输出电压会发生较大的变化，故本设计中的 UC/UO变换采用反激方式，有利于确保输出电压稳定不变。

本设计采用ONSMEI(安森美)准谐振型PWM驱动芯片NCP1207，它始终保持在MOSFET漏极电压最低时开通，改善了开通方式，减小了开通损耗。

图3是利用NCP1207芯片设计的DC/DC反激式变换器电路，其工作原理为：PFC输出直流电压UO，一路直接接变压器初级线圈L1，另一路经电阻R3 接到NCP1207高压端8脚，使电路起振，形成软启动电路;NCP1207的5脚输出驱动脉冲开通开关管VT，L1存储能量，当驱动关闭时，线圈L2和 L3释放能量，次级经整流滤波后供电给负载，辅助线圈释放能量，一部分经整流滤波供电给VCC，形成自举电路，另一部分经电阻R1和R2分压后送到 NCP1207的1脚，来判断VT软开通时刻；光耦P1反馈来自输出电压的信号，经电阻R7和电容C2组成积分电路滤波后送入NCP1207的2脚，以调节输出电压的稳定，此为电压反馈环节。电阻R6取样主电流信号，经串联电阻R5和电容C4组成积分电路滤波后送入NCP1207的3脚，此为电流反馈环节。

3、同步整流管

电源系统采用电流驱动同步整流技术，基本思路是通过使用低通态电阻的MOSFET代替DC/DC变换器输出侧的整流二极管工作，以最大限度地降低整流损耗，即通过检测流过自身的电流来获得MOSFET驱动信号，VT1在流过正向电流时导通，而当流过自身的电流为零时关断，使反相电流不能流过VT1，故MOSFET与整流二极管一样只能单向导通。

选择同步整流管主要是考虑管子的通态电流要大，通态电阻小，反向耐压足够大(应按24V时变压器次级变换反向电压计　算)，且寄生二极管反向恢复时间要短。经对实际电路的分析计算，选用ONSEMI公司生产的 MTY100N10E的MOSFET管，其耐压100V，通态电流为100A，通态电阻为11MΩ，反向恢复时间为145ns，开通延迟时间和关断延迟时间分别为48ns和186ns，能满足系统工作要求。

降耗及降电磁污染的手段

1、降耗措施

(1)利用TDA4863芯片优越性能

TDA4863 的性能特点是：当输入电压较高时，片内APFC电路从电网中吸取较多的功率;反之，当输入电压较低时则吸收较少的功率，这就抑制了产生谐波电流，使功率因数接近单位功率因数;片内还包含有源滤波电路，能滤除因输出电压脉动而产生的谐波电流；芯片的微电流工作条件也降低了元器件的损耗。

(2)电压电流双闭环反馈

因整机系统形成双闭环系统，DC/DC变换器输出稳定电压时既增大了输入电阻又减小输出电阻，达到了闭环控制的目的。变换器在较大功率时呈现同步整流方式，较小功率时开关管、整流管均为零电压开通，同步整流或零电压开通都极大地降低了管耗。