簡化的離線式開關(guān)電源設(shè)計的研究

導(dǎo)讀：開關(guān)電源的使用日益普及，電視機、機頂盒和錄像機均采用這種方式供電，移動電話充電器、PDA（個人數(shù)字助理），甚至一些電動牙刷都采用開關(guān)電源。本文對一種簡化的離線式開關(guān)電源進行研究，以便為之后的設(shè)計帶來借鑒作用。

1 開關(guān)電源的原理介紹

開關(guān)電源電路有許多種，但最常見的是反激式轉(zhuǎn)換器，其原理如圖1所示，電源輸入首先經(jīng)過整流，然后濾波，接下來經(jīng)過變壓器和初級開關(guān)，以及初級控制器；這個控制器根據(jù)反饋信號來改變開關(guān)的占空比，反饋信號是由次級反饋而來。

圖1 開關(guān)電源的原理電路

盡管可采用電感器，但所示設(shè)計采用的是未隔離的變壓器。隔離設(shè)計在離線設(shè)備中更為常見，在離線設(shè)備中，變壓器具有隔離作用，可方便地實現(xiàn)占空比調(diào)整。反激式開關(guān)電源可在非連續(xù)導(dǎo)通和連續(xù)導(dǎo)通兩種模式下工作，不連續(xù)導(dǎo)通模式如圖2所示。Ilm和Vlm是變壓器磁化電感通過的電流和施加的電壓。

圖2 開關(guān)電源的兩種導(dǎo)通模式

當(dāng)開關(guān)閉合時，電壓施加在變壓器初級的兩端，因為此時次級二極管是截止的，變壓器所起的作用就像電感器。經(jīng)過初級線圈的電流會上升，同時能量儲存在磁通量中。當(dāng)開關(guān)斷開時，次級二極管導(dǎo)通，電流通過次級時會下降，因為能量被轉(zhuǎn)換至次邊大容量電容器。如果電流經(jīng)過磁化電感區(qū)后降至零，這是不連續(xù)導(dǎo)通模式。如果磁化電流未降至零，如圖3所示，則系統(tǒng)以連續(xù)導(dǎo)通模式工作。

圖3 開關(guān)電源的不連續(xù)導(dǎo)通模式

兩種模式各有其優(yōu)缺點，可根據(jù)設(shè)計要求進行選擇?？梢蕴暨x大負載的連續(xù)模式設(shè)計，或選擇小負載的非連續(xù)模式設(shè)計。有電壓和電流兩種控制模式，在電壓模式中，次邊電壓被反饋，直接控制工作循環(huán)；而在電流模式中，次邊電壓被反饋，控制最大的開關(guān)電流，即控制IC的PWM部分使開關(guān)閉合，當(dāng)電流達到反饋設(shè)定的極限時，開關(guān)就斷開。

2 控制器的選擇

過去，大多數(shù)SMPS系統(tǒng)采用分立控制器IC和用場效應(yīng)晶體管（FET）作為開關(guān)，現(xiàn)在可以采用集成控制器，這些集成器件針對各種功率級別和應(yīng)用進行了優(yōu)化，通常可分為雙芯片式和單芯片式兩類。雙芯片式包括控制器芯片和MOSFET芯片，而單芯片式僅有一個芯片，一般采用BCDMOS工藝制造。采用 BCDMOS工藝制造高壓功率MOSFET器件，它的局限性多于采用優(yōu)化MOSFET工藝制造的器件。通常，采用BCDMOS工藝制造的芯片的單位面積 RDS（on）值會高出許多。

然而，單芯片解決方案的成本較低，在低功率應(yīng)用領(lǐng)域具有優(yōu)勢。因此，一般是為高功率應(yīng)用選擇雙芯片方案，而為低功率應(yīng)用選擇單芯片方案，高低功率的分界點在15至20W左右，飛兆半導(dǎo)體有提供兩種類型的功率開關(guān)。

3 應(yīng)用實例

圖4所示為采用KA5M0365R的通用開關(guān)模式電源的電路圖，KA5M0365R是雙芯片器件。電源的輸入電壓為85~265VAC,開關(guān)頻率為66kHz,輸出為3.3V、1.2A,5V、1.5A,9V、0.5A和33V、0.1A.

圖4 采用KA5M0365R的通用開關(guān)模式電源的電路

內(nèi)部MOSFET的額定值為3A和650V,但不是簡單的MOSFET,而是SenseFET,其源極面積約有1%被隔離出來，形成次感應(yīng)源極。漏極電流的1%來自感應(yīng)源極，它流經(jīng)集成電阻器，便于準(zhǔn)確地測量電流值，不存在與外部電流采樣電阻器相關(guān)的損耗。

自線路輸入端開始，首先是一個用于抑制EMI的濾波器，接下來是橋型整流器、NTC電阻器和濾波電容器。NTC電阻器用于避免開關(guān)閉合時的電流浪涌。在第一次接通電源時，F(xiàn)PS以旁路模式工作，吸收極少的電流，Vcc電容器被充電，一旦達到電壓鎖定閾值15V范圍的上限，該器件就開始開關(guān)，它的電流需求增加，Vcc電壓開始下降。然而，假定Vcc電容器足夠大，Vcc電壓仍保持在電壓鎖定閾值范圍的較低水平，在正常運作期間，第三線圈開始供電。

緩沖網(wǎng)絡(luò)（Snubber Network）連接在變壓器初級的兩端，以確保變壓器泄漏電感引起的尖峰信號，不會造成開關(guān)漏極電壓超過其擊穿電壓。如果超過擊穿電壓，器件會發(fā)生雪崩，由于它具有一定的雪崩額定值，這樣僅僅多消耗一點功率，不需配置昂貴的齊納緩沖器。

有四個次級線圈提供四路電壓輸出，通過一個光耦，由431型電壓參考器提供反饋信號。 所有的離線式電源必須達到一定的安全標(biāo)準(zhǔn)，圖4所示的設(shè)計具有良好的保護功能，得益于控制器具有的過載保護、過壓保護、過流保護、欠壓保護和過熱保護特性。

4 針對特定應(yīng)用的改進

低功率電源常常是備用、輔助電源，或用于內(nèi)務(wù)處理，F(xiàn)SDH0165或FSDH565等單芯片器件適用于此類電源，芯片集成了控制器和SenseFET.

由于器件采用BCDMOS技術(shù)制造，不存在起動電阻器。有可能將高壓整流電源直接連接到器件上，其起動與雙芯片器件相似，然而，區(qū)別是該器件用內(nèi)部電流源為Vcc電容器充電，一旦Vcc引腳電壓達到閾值電壓，器件起動，電流源從內(nèi)部斷開，因此在正常運作期間，不從電路中直接吸取能量，因而效率提高。對于較高功率電源，可采用圖5所示的系統(tǒng)，它與先前的系統(tǒng)很相似，但它以準(zhǔn)諧振模式工作，Lm不是一個單獨的元件，而是變壓器的一部分。

圖5 離線式開關(guān)電源電路

在這種模式下，開關(guān)頻率與輸入電壓和負載水平無關(guān)，在低輸入電壓和大負載的情況下，頻率降低，而在高輸入電壓和小負載的情況下，開關(guān)頻率升高。在最大輸入電壓下，所需頻率不應(yīng)超過最高開關(guān)頻率150kHz,因此施加的負載應(yīng)有所限制。準(zhǔn)諧振模式的優(yōu)點是EMI較低和效率較高。

這里未出現(xiàn)先前所用的傳統(tǒng)RCD（電阻器電容器二極管）緩沖器，作為替代，采用一個與開關(guān)并聯(lián)的小型電容器，電源開關(guān)配有一個額外的同步引腳，用于開通SenseFET.在次級二極管截止之前，其工作與非連續(xù)電流反激方式基本相同。在初級二極管截止后，開關(guān)管漏極開始振鈴動作，頻率由串聯(lián)的電容器和初級電感量所決定。同步引腳電壓開始下降，當(dāng)電壓超過閾值時，開關(guān)再次閉合。選擇合適的同步引腳元件，使得漏極電壓達到最小值時，同步電壓達到閾值。該系統(tǒng)為軟開關(guān)型，具有很小的EMI,因為漏極電壓很小，開關(guān)損耗也降至最低。

6 結(jié)語

總之，有幾種方法可實現(xiàn)功率因數(shù)校正，從簡單的無源解決方案到較復(fù)雜和性能較好的有源解決方案。飛兆半導(dǎo)體的ML4803采用小型8引腳封裝，集成了PFC和PWM SMPS控制器，在技術(shù)和成本具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢?，F(xiàn)在已經(jīng)有多種適合不同應(yīng)用和功率范圍的器件，使離線式開關(guān)電源的設(shè)計變得更為簡單。