高功率因數(shù)低空載損耗AC/DC電源的研究

摘要：介紹了一種寬輸入、低空載損耗的90WAC/DC電源。電路由兩級(jí)組成：以L6561為核心的功率因數(shù)校正（PFC）；以L5991A為核心的DC/DC反激變換器。它的主要優(yōu)點(diǎn)是輕載時(shí)通過L5991A的變頻功能降低開關(guān)工作頻率，減小開關(guān)損耗，并通過外部電路的設(shè)計(jì)關(guān)掉L6561的PFC功能，從而達(dá)到輕載時(shí)減少電路的功率損耗的目的。實(shí)驗(yàn)表明在空載時(shí)，整個(gè)電路的輸入功率小于1W。

關(guān)鍵詞：空載損耗；反激變換器；功率因數(shù)校正

Stady on AC/DC Converter with Low Stand-by Loss and High Power Factor

TENG Fang-hua, ZHANG Zhong-chao 

Abstract:A 90 W low stand-by loss AC/DC converter with universal input voltage is introduced.The converter consists of two-stages approach: a front-end PFC pre-regulator based on L6561 PFC controller and back-end DC/DC converter in flyback topology based on L5991A PWM controller. The stand? by function of the L5991A, which reduces the switching frequency of the DC/DC converter at light load, is also used to turn off the PFC stage to meet the needs of the severe no-load consumption. Experiment results show that the total no-load input power is less than 1W. 

Keywords:Stand-by loss; Flyback converter; PFC 

中圖分類號(hào)：TN86  文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A  文章編號(hào)：0219－2713(2003)03－0092－03

1  引言

    許多電器設(shè)備在沒有工作時(shí)仍然帶電，從AC插頭接通的一刻起，他們就在不停地消耗電力，這就產(chǎn)生了“待機(jī)損耗”問題。一臺(tái)電器的待機(jī)損耗一般只有幾W，但大量電器的待機(jī)損耗總和就是一個(gè)不容忽略的數(shù)字。

    另外，在輕載時(shí)減少電路的功耗已經(jīng)成為當(dāng)今電力電子技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方向。本文采用的L5991A是ST公司最新的節(jié)能控制芯片。在輕載時(shí)，通過關(guān)斷PFC功能，降低開關(guān)工作頻率，以減少電路的損耗，這種設(shè)計(jì)可使輕載損耗在1W以內(nèi)。

2  基本工作原理

    電路的總體框圖如圖1所示。為了減小輸入電流的諧波，提高輸入功率因數(shù)（PF），電路中采用了以L6561為控制芯片的功率因數(shù)校正(PFC)環(huán)節(jié)。PFC電路在88～265V的輸入電壓范圍內(nèi)，輸出端都可以得到400V左右的穩(wěn)定電壓。

圖1  電 路 總 體 框 圖

    輕載變頻控制原理圖，如圖2所示。L5991A芯片采用電流控制模式，電壓檢測(cè)端（腳6）的值Vcomp正比于開關(guān)的峰值電流，能量通過變壓器傳輸，這樣就可以通過檢測(cè)Vcomp的值來確定負(fù)載的狀況。如果負(fù)載變輕使得輸出功率變?。妷翰蛔儯瑒t開關(guān)的峰值電流隨之減小，Vcomp的值減小到某個(gè)門坎電壓VT1時(shí)，通過芯片內(nèi)部功能（高頻時(shí)芯片腳16處于高電平，與腳4導(dǎo)通，腳2與腳4之間的諧振電阻為RA、VB并聯(lián) ； 低 頻 時(shí) 芯 片 腳16處 于 低 電 平 ， 與 腳4斷 開 ， 諧 振 電 阻 變 成RA） ， 使 開 關(guān) 頻 率 由fosc下 降 到fSB； 如 果 負(fù) 載 加 重 ， 輸 出 功 率 增 大 ， 則 開 關(guān) 的 峰 值 電 流 隨 之 加 大 ，Vcomp上 升 到 另 一 門 坎 電 壓VT2時(shí) ， 通 過 內(nèi) 部 功 能 開 關(guān) 頻 率 就 會(huì) 上 升 到fosc。 在 負(fù) 載 正 常 和 輕 載 時(shí)L5991A都 能 正 常 工 作 ，VT1和VT2可 以 內(nèi) 部 確 定 或 者 通 過 外 部 附 加 電 路 確 定 ，fosc和fSB可 以 根 據(jù) 實(shí) 際 需 要 ， 設(shè) 計(jì) 恰 當(dāng) 的 電 路 參 數(shù) 確 定 。

圖2  輕載變頻控制原理圖

    滿載工作時(shí)，由于腳16高電平，Q1斷開，Q2導(dǎo)通，Q3關(guān)斷（見圖3），連接L6561零電流檢測(cè)端的電壓端為高電平，L6561正常工作；輕載時(shí)由于腳16低電平(與腳2一起諧振)，Q1導(dǎo)通，Q2關(guān)斷，Q3導(dǎo)通，連接L6561零電流檢測(cè)端的電壓端為低電平，L6561停止工作。這樣就充分減少了待機(jī)損耗（輕載損耗）。

圖 3  電 源 適 配 器 主 電 路 圖  [!--empirenews.page--]

3  參數(shù)設(shè)計(jì)

    90W帶功率因數(shù)校正的電源適配器主電路圖參見圖3，其主要電路參數(shù)如下：輸入電壓AC88～265V，頻率50Hz；輸出電壓DC12V，輸出最大功率90W，開關(guān)頻率65kHz；輕載時(shí)開關(guān)頻率20kHz，PFC停止工作。

    1）諧振電阻、電容的設(shè)計(jì)

    根據(jù)開關(guān)工作頻率的設(shè)計(jì)，可以確定諧振電阻RA、RB，與諧振電容CT的值。開關(guān)頻率fosc=65kHz，輕載時(shí)開關(guān)頻率fSB=20kHz。

     fSB=    （1）

     fosc=    （2）

式中：RA∥RB=

      KT=

    由式（1）、（2）可取RA=20kΩ，RB=10kΩ，CT=3.3nF。

    2）反激變壓器的設(shè)計(jì)

    變壓器的設(shè)計(jì)在減小功率損耗方面起著極為重要的作用。為減小變壓器的漏感，采取“三明治”繞法。即先繞原邊匝數(shù)的一半，再繞副邊，最后再繞另一半原邊，這樣可以減少50％的漏感。

    由于正常工作時(shí)的輸出功率為90W，設(shè)計(jì)高頻工作的最小輸入功率PinSB=30W（即當(dāng)輸入功率小于30W時(shí)開關(guān)頻率由65kHz變到20kHz），檢測(cè)電阻Rs=0.28Ω，已知輸出電壓Vo=12V，開關(guān)工作頻率fAosc=65kHz，這樣就可以通過式（3）求得變壓器的原邊電感Lp=540μH。

      PinSB=Lpfosc      （3）

    設(shè)原邊電感工作在斷續(xù)導(dǎo)電模式（DCM）下，則可得通過電感的峰值電流Ippk為

     Ippk==2.46A     （4）

式中：Pin=Po/η，Po=90W，取η=0.85。

    正常情況下開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間

     ton=     （5）

關(guān)斷時(shí)間      toff=     （6）

    由于電感工作在DCM模式下，就要求

     toff＋ton<  （7）

取占空比D==0.2，輸出二極管壓降VF=0.7V，從而可得變壓器原副邊的匝比n=10。

    另外，由于漏感的存在，變壓器原邊的能量不能完全傳送到輸出端，當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，為了釋放儲(chǔ)存在漏感中的能量，需要加一個(gè)RCD鉗位電路。

    3）功率半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)

    由于反激變壓器存在一定的漏感，可能會(huì)引起一定的尖峰電壓，另外考慮到PFC輸出電壓可能會(huì)有所波動(dòng)，選取耐壓800V以上的開關(guān)管；根據(jù)最大輸出功率及最小的占空比，開關(guān)的導(dǎo)通電流最大值為2.46A。這樣就可以選擇STP6NC90Z，它的耐壓值為900V，最大導(dǎo)通電流是5.8A。

    在PFC輸出電壓達(dá)到最大允許值時(shí)，輸出整流二極管的最大反向電壓將達(dá)到55V左右，為留一定的余量，取反向耐壓100V的二極管，同時(shí)流過整流二極管的最大電流7.5A。因此可以選擇STPS10H100CT,它的耐壓為100V，最大允許電流是10A。

    4）其它

    為了達(dá)到要求的偏差值，反饋電路通過采用光耦PC817調(diào)整輸出電壓。為了減小高頻輸出紋波，在輸出電壓的末端加入一個(gè)小的電感電容濾波。

4  實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    以L5991A為主設(shè)計(jì)的帶有PFC的AC/DC電源適配器，最主要的優(yōu)點(diǎn)是負(fù)載減輕時(shí)開關(guān)頻率從高頻自動(dòng)降到低頻，并且關(guān)斷了前面PFC級(jí)的工作，從而在很大程度上減小了電路損耗，達(dá)到了輕載低損的效果。圖4（a）、（b）表示輸出功率從90W變到10W和從10W變到90W時(shí)L5991A的腳16和腳2的波形。從圖中可以看到當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，腳16電平的突變及腳2諧振頻率的突變狀況。圖5（a）、（b）表示輸出功率從90W變到10W和從10W變到90W時(shí)L5991A的腳16和開關(guān)驅(qū)動(dòng)波形的變化。從圖中可以看到開關(guān)在正常工作時(shí)的頻率約為65kHz，在輕載時(shí)的頻率約為20kHz。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在空載運(yùn)行時(shí)整個(gè)電路消耗的功率低于1W。 [!--empirenews.page--]

（a）  滿 載→輕 載

（b） 輕 載→滿 載  

圖4  腳16(上)和 腳2(下)測(cè) 試 波 形

（a）  滿 載→輕 載

(b)  輕 載→滿 載

圖5  腳16(上)和 驅(qū) 動(dòng)(下)測(cè) 試 波 形

5  結(jié)語

    以L5991A為核心設(shè)計(jì)的帶有功率因數(shù)校正的電源適配器，經(jīng)過相應(yīng)的參數(shù)設(shè)計(jì)，空載損耗可以達(dá)到1W以下。目前在筆記本電腦及相關(guān)的對(duì)功率損耗要求較高的領(lǐng)域得到了一定的應(yīng)用。相信隨著節(jié)能要求的提高，它將得到更廣泛的應(yīng)用。