一款實用模塊化驅動電源的研究與制作

2021-06-20 09:49:10張宏偉

電子制作 2021年9期

張宏偉

（河北科技大學，河北石家莊，050018）

調音臺作為音響系統的重要組成部分，其驅動電源基本要求是輸出電壓穩定，輸出電流紋波小。作者結合多年使用經驗和專業課教學實踐，制作了一款18V、100W 的模塊化調音臺驅動電源樣機，使用靈活方便，效果良好，滿足了在不同場合下的需要。

1 調音臺驅動電源結構

該驅動電源主體電路采取五級架構，保障調音臺的穩定可靠供電。第一級采用EMI 濾波電路，其功能是起雙向濾波；第二級是橋式整流電路，其功能是將交流電整流成直流電；第三級采用PFC 電路，其目的是為后一級電路提供穩定的輸出電壓，同時對本級電路進行功率因數的補償和校正；第四級是LLC 諧振半橋變換器，主要任務是完成前后兩級電路的隔離和降壓恒壓作用，該變換器還具有較高的轉換效率；第五級為濾波電路，目的是進一步減小輸出電流的波動程度，使其工作在最佳的狀態。見圖1 所示。

圖1

2 驅動電源的電路設計

■2.1 EMI 濾波電路設計

此電路應具備以下功能：

（1）雙向濾波功能：無論是從電網到電源，還是自電源向電網，都具有濾除高次諧波的功能；

（2）對從電網側傳遞過來的共模干擾信號和差模干擾信號都具有較強的抑制效果。

為實現上述功能，選擇如圖2所示的高頻增強型EMI濾波結構[1]。R1和R2為差模電容泄放電阻，它與芯片CAPZero 共同作用后實現的功能是當接通交流電源后，可阻斷差模電容CX1通過泄放電阻R1和R2中的充電電流，將接通電源后的功率損耗降到最小，而在交流電源斷電后差模電容CX1通過泄放電阻R1和R2放電，使其兩端電壓為零，避免用戶接觸到插頭時觸電，電路中設置壓敏電阻RV1其目的是用來吸收電源側輸入的交流浪涌電壓。T1 和T2 的作用主要是抑制共模干擾信號，CX1和CX2的主要作用是抑制差模干擾信號，CY1和CY2對于高頻信號相當于短路，可以旁路掉共模噪聲。

圖2

■2.2 單相橋式整流電路設計

該電路的作用是將交流電整流成直流電，其電路結構較簡單，不再累述。

■2.3 功率因數校正（PFC）電路設計

目前的PFC 有兩種，無源PFC 和有源PFC。

無源PFC 電路其成本低，結構簡單、可靠性能好，缺點是功率因數只能達到0.7～0.8，電源體積大，成本增加，使用場合上受到了很大的限制。而有源PFC 電路由于體積小、通過專用集成電路（IC）去調整電流的波形，其功率因數可達0.9 以上，輸出直流電壓很平穩，輸出紋波很小，諧波含量較低，失真較小，輸出功率較大，其缺點是制造成本也相對較高。其電路如圖3 所示。

圖3

電路的基本工作原理如下：

從電網輸入的交流電壓經由四個二極管組成的橋式整流電路整流后，得到一直流脈動電壓作為PFC 電路的輸入電壓，經C1濾掉高頻干擾信號，再經R8、R9、R16進行分壓后，得到一個標準的正弦半波電壓，作為采樣電壓加在功率因數校正器芯片L6562 的輸入腳3上，以此來確定該電路的電壓波形和相位[2]。電路中電容C8的作用是濾掉L6562的3 腳上的高頻干擾信號，R3、R5為啟動電阻直接接到芯片L6562 的電源腳8 上，R3、R5的阻值要適當，即不能太大，也不能太小，阻值太小可能會使加在芯片上的電壓太高而燒壞芯片，阻值太大由于加在芯片上的電壓太低可能會使芯片不能啟動工作。當芯片正常啟動之后，由D3、D4、C3、R6以及升壓電感的副邊組成L6562 的供電電源。通過電阻R15將升壓電感線圈T3 的副邊繞組接到芯片L6562 的零電流檢測引腳5 腳上，當檢測到電感電流為零時，芯片L6562 的7 腳輸出一觸發信號經電阻R11 加在開關管Q1 的柵極上使之導通。R4、R7、R12、R13組成分壓電路，將Vout（395V）電壓分壓后，得到一個VFB2.5（2.5V）的參考電壓輸入到芯片L6562 的1、2 腳，構成電壓負反饋網絡，用于穩定輸出電壓。

■2.4 變換器設計

作為變換器，其功能是對前后兩級電路進行隔離，同時變換本級的電流、電壓。本設計采用LLC 半橋諧振變換器[3]，理由如下：第一、電路中對開關管的開關頻率要求不高，且頻率變化范圍小，便于控制，第二、開關管可以實現零電壓開關控制，能夠將開關損耗降到了最低，因而其轉換效率可以達到最高；第三、在電路結構上采用LLC 半橋諧振變換器可與前級電路進行良好的銜接。在實際中LLC 諧振半橋的整體電路圖如圖4 所示。

圖4

圖中芯片L6599 是專為LLC 諧振半橋拓撲電路而開發的雙端控制器，其內部含有一個高精度振蕩器，其工作頻率高達500kHz，能夠完全滿足諧振變換器對開關頻率的要求。它的高（15 腳)、低(11 腳)端門極在輸出高、低驅動信號時有一個固定的間歇時間，這樣在驅動LLC 半橋諧振電路的上下兩個開關管Q1、Q2 時，可以有效的避免它們同時導通而造成橋路短接燒毀開關管，提高了電路的安全性和可靠性[4]。

在圖4 中前級PFC 輸出電壓經R2、R4、R5、R7分壓后，得到大約1.7V 的采樣電壓送到芯片L6599 的7 腳上，其目的是對電路進行欠壓保護[5]，當芯片L6599 的7 腳上的電壓低于1.25V時，芯片不工作，當7 腳上的電壓在1.25～6V范圍時，芯片正常工作，LLC 諧振半橋電路正常工作。

在芯片L6599 通電后，電容 9C在其1 腳的作用下被充電，此時相當于電阻R11、R12的另一端對地短路，此時4腳外接電阻變小，電路的振蕩頻率升高；當電容 9C充滿電后，對地相當于斷路，電阻R11、R12的另一端處于懸空狀態，電阻變大，振蕩頻率降低，電源輸出正常電壓，實現軟啟動，芯片正常工作，在忽略高（15 腳)、低(11 腳)端驅動信號具有的間歇時間的情況下，引腳15 端和引腳11 端輸出互補對稱占空比各為0.5 的門極驅動信號給LLC 諧振半橋的上下兩個開關管Q1、Q3，使其交替工作。

Q1、Q3 為LLC 半橋電路主體部分，在L6599 的控制下而交替工作，輸出方波電壓經變壓器送給同步整流電路。

同步整流電路的控制器采用智能芯片TEA1795T。MOS管Qsec1或Qsec2的柵極分別接TEA1795T 的3 腳或6 腳，在沒有驅動信號時，芯片TAE1795T 不具有同步整流功能；芯片TAE1795T 的1 腳、4 腳和5 腳、8 腳通過電阻R16 或電阻R17 分別檢測Qsec1、Qsec2的漏極與源極之間的電壓，若其中一個漏極與源極之間的電壓低于芯片TAE1795T 內部的基準值-220mV時，相應的MOS 管柵極連接的引腳3 腳（或5 腳）就會發出相應電平的驅動信號，使相應的MOS 管（Qsec1或Qsec2）導通。當變壓器TA1 輸出正半周時Qsec1導通，Qsec2截止；當變壓器TA1 輸出負半周時 Qsec2導通，Qsec1截止。在芯片TAE1795T 的驅動下，兩個MOS 管交替導通就可實現同步整流[6]。