一種無APFC的低成本全電壓設計方案 - 全文

　　本文提出一種解決全電壓的大功率電源方案，采用自動倍壓方式，對輸入電壓進行實時檢測，并根據(jù)電壓等級確定是否進行倍壓處理，以滿足全電壓自適應要求。

　　同時結(jié)合過零檢測電路，可實現(xiàn)在無NTC-負溫度系數(shù)電阻狀態(tài)下的零壓零流啟動，有效扼制浪涌電流，提高系統(tǒng)可靠性和耐用性。此外，能滿足“能源之星”的待機功耗要求，增強了技術競爭力的同時，可滿足了節(jié)能環(huán)保的要求。

　　1.引言

　　相對于傳統(tǒng)線性電源，開關電源擁有體積小、重量輕、效率高等方生俱來的優(yōu)勢。因此近些年，研究開關電源的人越來越多，相應的技術也層出不窮。研究成本低廉、性能可靠、兼容性強的開關電源成為眾多電源設計工程師不斷努力的目標。本文針對大功率開關電源提出一種無APFC的低成本全電壓設計方案，該方案使用自動倍壓方式有效減小火牛直流輸入電壓的范圍，從而大大降低電源成本。

　　2.全壓電源

　　統(tǒng)計全世界交流電壓，可以將電壓分為：

　　日本為代表的100V，美國為代表的120V，墨西哥為代表的127V，中國為代表的220V，歐洲多為230V，澳大利亞240V.因此，世界各國電壓分布在100V-127V和220V-240V兩個電壓段。即若能滿足這兩個電壓段要求的開關電源，即可認為是全電壓開關電源。實現(xiàn)全壓的開關電源目前大致可分為：普通無級式、APFC無級式、自動倍壓式。

　　2.1 普通無級式

　　普通無極開關電源在小功率開關電源中應用非常廣泛。在小于300W的小功率段，設計者通常在兼顧結(jié)構(gòu)和成本的前提下，采用100-240V的全段電壓方案。雖然結(jié)構(gòu)簡單，但對功率器件（如：火牛、開關管、整流管）則提出了較高要求。由于在一定范圍器件參數(shù)的提高對于價格并無太大影響，使得在小功率段具備相當?shù)男詢r比的。隨著功率上升，電源對各部分的功率器件提出了新的要求，這個要求在價格上和技術上都有較大的困難。

　　2.2 APFC無級式

　　APFC是主動式PFC，使用專用PFC控制器。

　　電路功率元件由標準的boost電路組成，通過電壓和電流的雙重反饋，其中電壓位于外環(huán)，而電流位于內(nèi)環(huán)。因此，APFC在保證輸出端恒定電壓的同時，使得電流的波形為正弦波。

　　APFC帶來的好處也是顯而易見：

　?、佥^大的提高功率因數(shù)；

　?、诳梢约嫒葺斎?00-240V全段電壓；

　　③EMC方面有很好的改善。

　　不足之處：

　?、袤w積和重量有所增大；

　?、陔娫闯杀敬蟾庞邪俜种迨纳仙?/p>

　　2.3 自動倍壓式

　　鑒于手動操作的種種弊端，以及世界各國電壓規(guī)律，自動倍壓式在手動倍壓式基礎加以改進，實現(xiàn)了低電壓國家輸入電壓的自動切換。自動倍壓開關可以采用繼電器、MOSFET、IGBT、可控硅。由于該設計應用在50-60Hz的工頻條件下，考慮過零要求，以及生產(chǎn)成本。

　　選用可控硅作為開關切換器件?？煽毓柙诔杀旧嫌兄鴺O大的優(yōu)勢，而響應速度又能滿足要求。

　　3.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

　　電源基本指標：額定輸出1200W，峰值功率2400W;輸入電壓可AC100-127V和220-240V;輸出電壓為DC160V.系統(tǒng)滿足全球電壓兼容的同時，兼具備低于0.3瓦的超低待機功耗能力。

　　3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　整機系統(tǒng)可分為主電源部分用來給功放部分提供電力。輔助電源提供初級控制電路和次級控制電路使用?？刂破饔脕韺崿F(xiàn)自動電壓識別及倍壓功能，同時結(jié)合MCU 《http://ic.big-bit.com/search_MCU_1_1.html》實現(xiàn)遙控喚醒系統(tǒng)功能。AC轉(zhuǎn)DC的整流部分，輔助電源與主電源設計成獨立供電方式。在待機模式中輔助電源脫離主電源整流部分，這樣為低待機功耗提供了硬件基礎。

　　3.2 主電源

　　3.2.1 主電源設計

　　主電源采用移相全橋拓撲。全橋電路易于實現(xiàn)大功率的輸出，而移相全橋作為全橋電路的改良版本，在整機效率方面更具備優(yōu)勢。橋式電路中串入諧振電感，諧振電感與MOS管的寄生輸出電容Coss之間諧振。從而在MOS管開啟之間使得DS端電壓為零，實現(xiàn)零壓開啟。因為實現(xiàn)了MOS管的零壓開啟，降低了驅(qū)動電路以及MOS管Qg常數(shù)的要求，使得器件成本也隨之降低。使用雙象可控硅作為倍壓開關。單向可控硅可斷開整個主電源的供電。當可控硅完全斷開時，整個主電源電路上所有器件均無電流環(huán)路，除去可控硅本身極小的漏電流，主電路無功耗損失。

　　3.2.2 倍壓結(jié)構(gòu)和原理

　　倍壓方式與手動倍壓原理一致，當交流電壓處于1、2象限時，電流流向為（紅色軌跡）：AC+ -》 D1 -》 CAP1 -》 K -》 AC-，電源給給電容CAP1充電，其電壓將達到交流峰值；當交流電壓處于3、4象限時，電流流向為（綠色軌跡）：AC- -》 K -》 CAP2 -》 D4 -》 AC+.，電源給電容CAP2充電，其電壓也將達到交流峰值。因此，整流后的電壓將會雙倍于開關斷開狀態(tài)的電壓。

　　AC輸入電壓為AC100V-127V和AC220V-240V.由公式可知整流輸出后電壓范圍為：

　　DC283-DC360V.充分考慮器件分壓：如電容ESR、開關管壓降、EMI器件壓降，可以認為在重載情況下整流導通約為60度，電壓取值可以認為在：DC245V-DC360V.相對于普通全壓電源電壓取值范圍（將達到：DC122-DC360V）有大幅度衰減。

　　3.3 輔助電源

　　輔助電源采用反激RCD拓撲。輔助電源為所有控制電路提供電力，由于整體要求功耗低于15W，選用反激拓撲結(jié)構(gòu)的集成方案實現(xiàn)。

　　無論在體積和成本控制均為理想的選擇。集成方案中常引入了‘打嗝’模式很容易將功耗控制在0.3W以內(nèi)。

　　3.4 控制電路

　　過零邏輯電路、倍壓邏輯電路、可控硅驅(qū)動電路等組成控制電路。由于使用單向可控硅和雙向可控硅相結(jié)合可以切斷整流后級電路（包含濾波電容），理論上后級電路零功耗。

　　結(jié)合輔助火牛，整機待機功耗可輕易控制在0.5W以內(nèi)，滿足‘能源之星’的要求。

　　3.4.1 過零電路

　　由于沒有NTC的阻流作用，控制電路還須實現(xiàn)ZVS控制。倍壓控制邏輯和ZVS控制邏輯必須保持同步。驅(qū)動電路則使用光耦進行隔離驅(qū)動，有效避免可控硅驅(qū)動電位不一致的問題。

　　圖2-4中比較器U1-B可實時監(jiān)測過零狀態(tài)，同時為避免多次過零判斷，加入R101完成過零邏輯自鎖。圖2-5和2-6為實測電壓和電流波形。

　　其中圖2-5為使用NTC限流電路，在電源開啟瞬間電壓和電流波形。圖2-6為零壓開關電路，電流得到很好的控制，電流有一個從‘0‘

　　開始變大的過程。浪涌電流也低于NTC限流電路，浪涌電流得到明顯的控制，且不受開機間隔的限制，可以任意開關次數(shù)和頻率的限制，效果非常明顯。

　　自動倍壓邏輯先于過零邏輯產(chǎn)生。圖2-4中，比較器U1-A實時監(jiān)測輸入電壓，其輸出邏輯與過零邏輯為’與‘的關系。倍壓邏輯電路一方面要能夠根據(jù)輸入電壓自動實現(xiàn)倍壓操作，同時要能夠有效的防止干擾性波形，引起系統(tǒng)不必要的動作甚至誤操縱的可能。如：當負大幅度波動時所帶來的輸入電壓的波動，而這種波動是在一定范圍內(nèi)活動的，所以只需對門限進行設定，便可以允許一定范圍內(nèi)的電壓波動。而在開機過程中需要避免的是電路需要避開電壓上升過程帶來的倍壓誤操作和關機過程中，電壓的正常下跌時倍壓的誤操作?？焖匍_關操作過程中，可能存在的倍壓誤操作。

　　3.4.3 可控硅驅(qū)動

　　雙向可控硅的驅(qū)動方面對工作象限較為敏感。令驅(qū)動電壓方向為橫軸，電流方向為縱軸。對于雙向可控硅而言，最佳工作象限為一象限其次是二三象限，第四象限通常不推薦。

　　工作在第四象限的區(qū)間內(nèi)，可控硅的損耗達到最大，而且對于di/dt的承受應力也急劇下降。

　　因此，采用下圖的二三象限工作區(qū)間，既可保證可控硅的良好性能，又能簡化驅(qū)動電路。

　　4.結(jié)論

　　本文所提出的解決全電壓的大功率電源，此電源擁有自動倍壓、無NTC以及超低待機功耗的特點于一身。為追求環(huán)保的大功率開關電源提出了一種新的設計思路，給出了一種新的解決方案，具備較強的實用性和商用性。