一種簡潔的高效率開關(guān)電源的設(shè)計

一種簡潔的高效率開關(guān)電源的設(shè)計

全球能源價格的不斷上漲，使得各行各業(yè)不得不認(rèn)真考慮節(jié)能的問題。在各種節(jié)能方法中，提高開關(guān)電源的效率是一個重要手段，美國自提出80PLUS計劃后又推出85PLUS、88PLUS計劃，并且在短期內(nèi)實施。因此，盡可能提高開關(guān)電源的效率是電源行業(yè)不斷追求的目標(biāo)。

要想提高開關(guān)電源效率，首先要清楚影響開關(guān)電源的因素。一般來說，反激式及其衍生電路的效率最低，多極變換電路拓撲的效率低于單級變換。因此，在應(yīng)用中應(yīng)盡可能不采用上述電路拓撲。

對于正激式功率變換來說，占空比越大相對效率就越高，因此在實際設(shè)計中應(yīng)選擇盡可能大的占空比，如果占空比接近1則是最理想的。

輸入電壓變化范圍大的開關(guān)電源要比輸入電壓變化范圍小的效率低。避免輸入電壓大范圍變化或盡可能的避免不必要的輸入電壓變化裕量是提高開關(guān)電源效率的最簡單方法之一。

隨著開關(guān)頻率得越來越高，開關(guān)損耗已經(jīng)是不可忽視的因素。簡單的RCD緩沖電路方式是影響效率的重要因素。因此采用軟開關(guān)、零電壓開關(guān)可以有效地消除開關(guān)損耗。

應(yīng)用400～700V電壓等級的MOSFET，導(dǎo)通損耗可能占總損耗的三分之二。因此設(shè)法減小MOSFET的導(dǎo)通電阻可以有效地降低MOSFET的損耗。

基于上述因素，我們提出采用PFC+非穩(wěn)壓隔離變換器組合獲得高效率開關(guān)電源的實現(xiàn)方法。用MC33368實現(xiàn)PFC控制，采用IRS2453自振全橋變換器進行DC/DC變換。

工作原理簡述
由于PFC具有穩(wěn)壓功能，在輸出電壓穩(wěn)定度不是很高的應(yīng)用中，隔離變換可以不采用常規(guī)的PWM控制方式，而采用“100%”占空比的非PWM控制方式，這樣就可以將效率提高2%甚至更多。輸出電壓的穩(wěn)定可以由PFC環(huán)節(jié)的穩(wěn)壓功能完成，其原理框圖如圖1所示。

圖1  采用PFC+非穩(wěn)壓隔離變換器組合的原理框圖

這樣就能將非穩(wěn)壓隔離變換器看成PFC的一部分，而PFC則變成隔離型PFC。由于隔離型PFC具有隔離功能、電壓關(guān)閉功能和穩(wěn)壓功能，就使其成為真正意義上的隔離型開關(guān)穩(wěn)壓電源。

采用非PWM工作方式所得到的最大占空比可以使全橋電路中的開關(guān)管在“零電壓”下導(dǎo)通，即實現(xiàn)“零電壓開關(guān)”。這樣能提高電路工作的可靠性，進一步減小損耗，提高效率。

IRS2453功能簡介
IRS2453自振全橋變換器是美國國際整流器公司在自振高壓橋式驅(qū)動器IR2153的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。
IRS2453自振全橋驅(qū)動器具有較高的工作電壓（600V），內(nèi)部有一個類似于555定時器的頻率可設(shè)置的振蕩器，全橋柵極驅(qū)動可保證其精確的死區(qū)時間。在此芯片內(nèi)部，包含MOSFET組成的全橋電路。這樣的構(gòu)造，一方面節(jié)省了外部器件，降低了成本；另一方面，節(jié)省了空間，使整個電源的體積縮小。更重要的是，在芯片內(nèi)部，開關(guān)管工作的占空比固定。在該全橋電路前端結(jié)構(gòu)中，各開關(guān)管的占空比可接近50%，這使得全橋電路中開關(guān)管的占空比可達到95%，甚至更高。而通常情況下，開關(guān)管的最大占空比小于80%。這樣，全橋電路中開關(guān)管的占空比上升，導(dǎo)通損耗下降。而且，本設(shè)計屬不調(diào)節(jié)脈寬形式，效率得到了很大程度的提高。IRS2453自振全橋驅(qū)動器原理框圖如圖2所示。

圖2  IRS2453的原理框圖

完整電路分析與電路設(shè)計要點
整個電源的完整電路原理圖及詳細參數(shù)如圖3所示。整個電路由采用MC33368構(gòu)成的PFC電路單元與用IRS2453構(gòu)成的非穩(wěn)壓隔離型變換器組合而成。

圖3  采用PFC+非穩(wěn)壓隔離變換器組合的電路原理圖

之所以選用IRS2453作為非穩(wěn)壓隔離型變換器的控制芯片，主要是因為非穩(wěn)壓隔離型變換器不需要PWM功能，但是需要時鐘來獲得所需要的輸出脈沖，這就是IRS2453自身帶有振蕩器的原因。IRS2453自身具有全橋驅(qū)動能，其二橋式變換器需要高、低邊驅(qū)動，全橋則需要兩路高端驅(qū)動電路。由于IRS2453具有上述功能，用來作為非穩(wěn)壓隔離型變換器的驅(qū)動控制芯片是最佳的。

由于選擇大占空比的工作狀態(tài)，在常規(guī)條件下纏繞的變壓器在此時的效率達到最高。

測試結(jié)果
從電路圖上可以看出，在本設(shè)計中，市電經(jīng)過功率因數(shù)校正電路后，即得到了穩(wěn)定的直流輸出電壓，這樣就省略了電路的穩(wěn)壓調(diào)節(jié)過程，在一定程度上提高了電源的效率；另外，IRS2453自振全橋變換器的輸出占空比是一定的，不需要進行脈寬調(diào)節(jié)，這使得電源效率在原有基礎(chǔ)上又得到了進一步的提高。產(chǎn)品的詳細參數(shù)如下：
● 體積：100mm×60mm×40mm
● 開關(guān)管漏/源電壓測試（見圖4）

圖4 開關(guān)管的源漏極電壓波形

● 滿負載下輸出紋波電壓測試（見圖5）

圖5 中等負載下的輸出紋波電壓

● 輸入電流與諧波分析（見圖6）

圖6 輸入電流與諧波分析

整機效率測試的結(jié)果如表1所示。

從上述分析可以看到，采用本文的技術(shù)方案可以容易得提升開關(guān)電源的高效率，電源的功率因數(shù)計高次諧波參數(shù)完全可以滿足要求。

結(jié)語
本設(shè)計是一種簡單的利用IRS2453芯片實現(xiàn)的高效率功率變換器，成本低、體積小。經(jīng)測試、計算得，本整機的效率為89.5%。其輸出24V直流電壓，具有廣泛的應(yīng)用價值。如果仔細雕鑿可以使效率在25~100%負載條件下超過90%，成為真正的高效率開關(guān)電源。