兩級(jí)式開關(guān)電源適配器方案研發(fā)之PFC設(shè)計(jì)

筆記本電腦的開關(guān)電源適配器新產(chǎn)品研發(fā)工作，是目前國內(nèi)電子工程師們的主要研發(fā)方向之一，也是應(yīng)用新技術(shù)速度最快的研發(fā)領(lǐng)域之一，新產(chǎn)品的更新速度非常快。在今天和明天的干貨分享中，我們將會(huì)為各位工程師們分享一種新穎的兩級(jí)式筆記本電腦開關(guān)電源適配器設(shè)計(jì)方案，希望通過本文的分享，為大家的研發(fā)工作帶來一定幫助。

設(shè)計(jì)原理

在本文所提出的開關(guān)電源適配器設(shè)計(jì)方案中，我們采用的是比較新穎的兩級(jí)式設(shè)計(jì)思路，適配器的前級(jí)功率因數(shù)校正采用Boost變換器，這樣的選擇能夠有效提高低輸入電壓時(shí)的變換效率，其PFC級(jí)采用變輸出電壓的方法，其輸出電壓跟隨輸入電壓變化。而后級(jí)DC-DC變換器則選擇采用兩路反激變換器交錯(cuò)并聯(lián)，通過這一方式能夠減小其輸入和輸出電流紋波，同時(shí)采用同步整流技術(shù)，以進(jìn)一步提高變換效率。

(a)主功率電路圖

(b)Boost變換器電感電流臨界連續(xù)模式主要波形圖

圖1

PFC級(jí)工作原理

上圖中，圖1分別給出了我們所設(shè)計(jì)的這一開關(guān)電源適配器的主功率電路圖，以及Boost變換器電感電流臨界連續(xù)模式下的主要波形圖。其中，圖1(a)為提出的新型兩級(jí)式變換器的主功率電路圖。從圖1(a)中可以看到，該方案中，Boost變換器采用電感電流臨界連續(xù)模式的控制方式，這種控制方式的優(yōu)點(diǎn)是二極管零電流關(guān)斷沒有反向恢復(fù)的問題，同時(shí)具有功率因數(shù)高的優(yōu)勢(shì)，且原邊開關(guān)管能夠保持零電流開通。

在PFC級(jí)的設(shè)計(jì)中，我們所采用的Boost變換器處于電感電流臨界連續(xù)模式下工作時(shí)，其主要波形如上圖中的圖1(b)所示。在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)電感電流iLB為零時(shí)，則二極管DB關(guān)斷，此時(shí)開通開關(guān)管SB，iLB由零開始線性增加。當(dāng)它達(dá)到整流橋輸出母線的電壓采樣信號(hào)時(shí)，關(guān)斷SB，DB開通，iLB由最大值線性下降到零。在輸入電壓的1/2周期內(nèi)，由多個(gè)開關(guān)周期組成。在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，iLB的平均值跟隨整流橋輸出電壓，因此iLB的平均值跟蹤整流橋輸出電壓波形，由此實(shí)現(xiàn)PFC的功能。

在圖1所設(shè)計(jì)的這一主功率電路圖中，當(dāng)輸出功率相同時(shí)，輸入電壓低，相應(yīng)的輸入電流有效值較大。而當(dāng)?shù)洼斎腚妷簳r(shí)，Boost變換器的主要損耗是整流橋的導(dǎo)通損耗和開關(guān)管的導(dǎo)通損耗。根據(jù)Boost變換器的電壓輸入輸出關(guān)系Vo=Vin/(1-D)可知，當(dāng)輸入電壓固定時(shí)，輸出電壓越低，占空比越小，因此開關(guān)管導(dǎo)通損耗越小。為了提高輸入電壓低時(shí)的效率，我們可以將輸出電壓降低。因此，針對(duì)PFC級(jí)輸入電壓范圍寬(90-265Vac)的特點(diǎn)，采用變輸出電壓的控制方式，在該控制方式下，輸入電壓與輸出電壓的關(guān)系如下圖圖2(a)所示。

(a)

(b)

圖2 PFC級(jí)Uin與Uopfc的關(guān)系及其控制電路圖

在了解了Boost變換器處于變輸出電壓的控制方式下輸入電壓與輸出電壓的關(guān)系后，上圖中，圖2(b)給出的是在這一開關(guān)電源適配器設(shè)計(jì)方案中，Boost變換器輸出電壓跟隨輸入電壓線性變化的控制電路圖。從圖2(b)中可以看出，在電壓閉環(huán)中引入輸入電壓有效值作為前饋量，采樣信號(hào)取反后與輸出電壓的采樣信號(hào)取和，接到PI調(diào)節(jié)器的反向輸入端。在這一控制電路系統(tǒng)中，PI調(diào)節(jié)器的輸出接到乘法器的輸入端，與整流橋輸出電壓的采樣相乘后作為電流環(huán)的給定，以此來控制電感電流的幅值。當(dāng)輸入電壓變化時(shí)，輸出電壓也隨之變化。