一種超寬輸入范圍的開關電源的設計

陳丹江 張偉 肖質紅 葉銀忠

(1.上海海事大學，上海 200135;2.浙江萬里學院，浙江 寧波 315100;3.上海應用技術學院，上海 200235)

0 引言

隨著開關電源的大量應用，對其要求也在不斷的提高，要求其效率高、功率因數高、功率密度高、可靠性高等。

當要求開關電源能夠適應交流110伏和220伏兩種電力規范時，開關電源一般設計成交流90伏～265伏輸入，比如筆記本充電器、計算機電源等。但是在一些工作條件更加惡劣的情況下，有時交流輸入電壓低于90伏或者高于265伏時，仍然要求開關電源能夠正常工作。許多學者對這方面的研究也取得了一定的成果，比如對利用TOPS witch設計的開關電源進行改進，可以把輸入電壓擴展到交流80到400伏。但是對于輸入電壓小于80伏時，甚至達到20多伏時，對于這方面的研究還比較少。［1，2］

本文以升壓電路和反激電路為基礎，設計制作了一款新的開關電源，在保持電路良好性能的前提下，輸入電壓的范圍達到了交流25到265伏，比例超過了1比10。

1 電路工作原理

1.1 總體設計思想

考慮到單個開關電源輸入電壓范圍有限，因此本文考慮采用兩級工作的思想來設計電路。當輸入電壓比較高時，輸入電壓VAC直接經過整流作為反激電路的輸入電壓，如圖1所示。圖中兩個繼電器都工作在常閉狀態，中間的升壓電路不工作。如果輸入電壓比較低時，通過圖1中遲滯比較器的判斷，控制兩個繼電器吸合，兩個開關都打到常開狀態，因此，輸入電壓VAC經過整流后變成V1，再經過升壓電路提高電壓得到V2，然后作為反激電路的輸入電壓。采用遲滯比較器在判斷輸入電壓高低時，有一個遲滯范圍，使電路更加穩定工作。

圖1 開關電源工作原理框圖(圖中繼電器常閉)

按照圖1兩個繼電器處于常閉還是常開，顯然整個電路有4中組合的工作模式，如表1所示。

表1 開關電源的工作模式

1.2 升壓電路設計

升壓電路采用Boost電路，控制芯片采用芯片L6561，L6561為一電流準連續模式的APFC控制芯片，即電感電流處于連續模式與斷續模式的臨界點，也稱為瞬時模式的功率因數校正器(TMPFC)。因此，開關電源在低壓輸入時，電路兼具功率因數校正的功能。［3～6］

升壓電路的具體電路圖如圖2所示，圖中變壓器T1的原邊，二極管D1，MOS管M1組成升壓電路主電路。變壓器T1的副邊電壓經過濾波穩壓后給L6561供電。由于升壓電路只是在輸入較低電壓時工作，因此規定其工作條件為輸入電壓交流25 V～90 V，輸出電壓直流140 V。這里簡單介紹一下變壓器T1原邊電感L1的設計。

圖2 升壓電路原理圖

設計電感包含許多的參數，也有不同的方法可以使用。這里采用一種工程上計算比較方便的方法，首先定義:

主輸入電壓范圍:Virms(min)～Virms(maxn)(即圖2中的VAC的變化范圍)

輸出直流電壓值:V2

額定輸出功率:Po

最小切換頻率:fsw

期望效率:η

輸入功率:Pi(=Po/η)

假設為單位功因數，則

其中Ton、Toff為開關M1的開通、關斷時間;ILpk為電感電流的最大值，即

將上述的關系式，用Ton和Toff表示，經過代數運算，可以算出在一周期內的實時切換頻率為

fsw最小值發生于輸入電壓頂端時(θ=90°)，最大值發生于輸入電壓零交越時(θ=0°)。最小系統切換頻率可能發生于最大或最小線電壓。則電感值定義如下，

式中的Virms可以為Virms(min)或Virms(max)，不論何者都給電感較小的值。最小的切換頻率建議為15 kHz，以不干擾內部啟動器。

1.3 反激變換電路設計

當輸入交流較低時，反激變換器的輸入電壓就是升壓電路的輸出電壓，為直流140V。當輸入交流電壓較高時(實驗中設置值約為大于交流90 V)，反激電路單獨工作，因此設置反激電路的輸入條件為交流90 V～265 V，這樣在交流輸入25 V～365 V時，反激電路都能正常工作。輸出為兩路，分別為12V/1A和5V/1A。反激電路采用PI公司的第四代單片開關電源TOPSwitch-GX系列芯片，其最大輸出功率已擴展到290W。由于將高壓功率MOSFET、PWM控制、故障保護和其它控制電路高性價比地集成在單片CMOS芯片上，再加上其可在啟動時消除過沖、降低元件應力的軟起動、小EMI頻率抖動、欠壓保護和過壓關斷、可編程限流和獨有的輕載自動降頻等技術，該芯片可大大簡化電路設計，縮短設計周期。［7～10］

基于TOPSwitch-GX的反激電路原理圖如圖3所示，其中輸入電壓接V1還是V2決定于繼電器的狀態。電路參數設計可以采用PI公司提供的軟件PI-Expert來實現。

圖3 反激電路原理圖

1.4 遲滯比較器設計

當電壓剛好等于設計的切換電壓時，為了防止繼電器頻繁動作，這里采用遲滯比較器。電路原理圖如圖4所示，圖中只畫了一個繼電器。

圖4 遲滯比較器及繼電器控制原理圖

圖4中，比較器采用單電源Vcc供電，和穩壓管的供電電壓公用。穩壓管的擊穿電壓為Vz。Vin的電壓是圖1中V1電壓再經過濾波后取得的直流量，經過兩個電阻R3和R4分壓后，得到電壓V－作為比較器的反向端輸入電壓。根據遲滯比較器的原理，理論上，當

時［11］，輸出電壓Vo跳變到低電平，此時表示整個系統的輸入交流電壓VAC比較大，控制繼電器處于常閉狀態，只有反激電路參與工作，電路工作在模式Ⅱ。

時［11］，輸出電壓Vo跳變到高電平，此時表示整個系統的輸入交流電壓VAC比較小，控制繼電器處于常開狀態，輸入電壓先經過升壓再送給反激電路，電路工作在模式Ⅰ。

通過合理得選擇對Vin的分壓電阻以及 R1和R2的阻值，可以確定一個比較合理的繼電器切換時機和遲滯范圍。圖5為實際測試的遲滯比較器電路波形。圖中VH為遲滯比較器的上門限電壓，VL為下門限電壓。

圖5 遲滯比較器輸入輸出波形

2 實驗結果

根據上述理論，對本系統進行了實驗驗證，主要實驗參數如下:升壓電路變壓器T1采用EE28骨架，原邊23匝，副邊8匝，原邊電感約200uH，MOS管M1采用 IRF840，二極管 D1采用 MUR860。反激電路采用TOP244Y，變壓器骨架EE25，原邊78匝，原邊電感約85uH，12V輸出端9匝，5V輸出端4匝，控制回路輸出端9匝。

圖6和圖7分別為輸入交流電壓VAC等于25V和90V時的輸入電壓電流波形，因為這個時候升壓電路是工作的，所以輸入電流接近正弦，電路兼具PFC的功能。

當升壓電路和反激電路一起工作時，由于反激電路輸入直流電壓一直為恒定的140V左右，所以TOPSwitch內部MOS管漏源極電壓波形也恒定，如圖8所示。當只有反激電路工作時，反激電路輸入電壓隨著輸入交流電壓的上升而上升，因此對應漏源極電壓波形也會發生改變，圖9為輸入交流電壓250V左右時的波形。

對于不同的輸入交流電壓VAC，實際輸出電壓測試數據如表2所示，可以看出，在一個實驗設定的輸入范圍內，輸出電壓一直保持比較穩定。

表2 輸出電壓數據(單位:V)

3 結論

本文提出了一種超寬范圍輸入的開關電源的設計方法，即采用升壓電路和反激電路串聯，并用遲滯比較器來控制兩個電路的工作狀態，并進行了實驗驗證。結果表明，電路具有良好的特性。本電路有如下特點:

(1)交流輸入范圍特別寬，實驗驗證達到了25 V～265 V，從而可以在一些要求特別高的場合應用;

(2)在低壓輸入時兼具PFC的功能。

［1］ 占江山，王震，王軍，等.一種超寬范圍電壓輸入的加固型多路穩壓電源研究［J］.船舶電子工程.2007，27(2):173－175.

［2］ 薛明岐，沈雷明.超寬范圍輸入的開關電源電路設［J］.電源技術應用.2009，12(10):26 ～30.

［3］ 滕妨華，張仲超.高功率因數低空載損耗AC/DC電源的研究［J］.電源技術應用.2003，6(3):92－94.

［4］ 王志鵬，陶生桂，湯春華.基于L6561的電流準連續模式APFC電源設計［J］.通信電源技術，2004，21(4):9－15.

［5］ HWU K I，YAU Y T.Development of a high-PF two-phase flyback converter based on chasing［C］.3rd IEEE conference on ICIEA，2008:885－890.

［6］ HWU K I，WU CH，CHUANG C F.Development of AC-DC converter for laboratory power amplifier［C］.International conference on PEDS，2009:1534－1541.

［7］ 郭金明，王念春，余振中，等.新型TOPSwitch_GX系列電源的PI設計［J］.電子元器件應用，2007，9(1):49－51.

［8］ 11Raoji Patel，Glenn Fritz.Swtiching Power Supply Design Review-60 Watt Flyback Regulator［R］.TI Application Report，SLUPS058，1999.

［9］ GAIBROIS G L，SPARKS W W.New Automatic Pole Top Switch Sensor Replaces Potential Dividers［J］.Power Engineering Review，IEEE，Issue:12，59－59.

［10］ YANG Li，Chen Ying，Xiao Qianhua.A Small Power Switching Mode Power Supply Based on TOP Switch［C］.International Joint Conference on Artificial Intelligence，2009:298－300.

［11］ 孫肖子.模擬電子技術基礎［M］.陜西:西安電子科技大學出版社，2009:82－86.