一種無APFC的全壓開關(guān)電源設(shè)計(jì)方案

1.引言

相對于傳統(tǒng)線性電源，開關(guān)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(guān)電源的人越來越多，相應(yīng)的技術(shù)也層出不窮。研究成本低廉、性能可靠、兼容性強(qiáng)的開關(guān)電源成為眾多電源設(shè)計(jì)工程師不斷努力的目標(biāo)。本文針對大功率開關(guān)電源提出一種無APFC的低成本全電壓設(shè)計(jì)方案，該方案使用自動(dòng)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(jì)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(gè)電壓段。即若能滿足這兩個(gè)電壓段要求的開關(guān)電源，即可認(rèn)為是全電壓開關(guān)電源。實(shí)現(xiàn)全壓的開關(guān)電源目前大致可分為：普通無級式、APFC無級式、自動(dòng)倍壓式。

2.1 普通無級式

普通無極開關(guān)電源在小功率開關(guān)電源中應(yīng)用非常廣泛。在小于300W的小功率段，設(shè)計(jì)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(guān)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(jià)格并無太大影響，使得在小功率段具備相當(dāng)?shù)男詢r(jià)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(gè)要求在價(jià)格上和技術(shù)上都有較大的困難。

2.2 APFC無級式

APFC是主動(dòng)式PFC,使用專用PFC控制器。

電路功率元件由標(biāo)準(zhǔn)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(shí)，使得電流的波形為正弦波。

APFC帶來的好處也是顯而易見：①較大的提高功率因數(shù);②可以兼容輸入100-240V全段電壓;③EMC方面有很好的改善。不足之處：

①體積和重量有所增大;②電源成本大概有百分之五十的上升。

2.3 自動(dòng)倍壓式

鑒于手動(dòng)操作的種種弊端，以及世界各國電壓規(guī)律，自動(dòng)倍壓式在手動(dòng)倍壓式基礎(chǔ)加以改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了低電壓國家輸入電壓的自動(dòng)切換。自動(dòng)倍壓開關(guān)可以采用繼電器、MOSFET、IGBT、可控硅。由于該設(shè)計(jì)應(yīng)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(guān)切換器件?？煽毓柙诔杀旧嫌兄鴺O大的優(yōu)勢，而響應(yīng)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(biāo)：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(shí)，兼具備低于0.3瓦的超低待機(jī)功耗能力。

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整機(jī)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。控制器用來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)電壓識別及倍壓功能，同時(shí)結(jié)合MCU實(shí)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(shè)計(jì)成獨(dú)立供電方式。在待機(jī)模式中輔助電源脫離主電源整流部分，這樣為低待機(jī)功耗提供了硬件基礎(chǔ)。

3.2 主電源

3.2.1 主電源設(shè)計(jì)

主電源采用移相全橋拓?fù)?。全橋電路易于?shí)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(jī)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(shí)現(xiàn)零壓開啟。因?yàn)閷?shí)現(xiàn)了MOS管的零壓開啟，降低了驅(qū)動(dòng)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(guān)。單向可控硅可斷開整個(gè)主電源的供電。當(dāng)可控硅完全斷開時(shí)，整個(gè)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(dòng)倍壓原理一致，當(dāng)交流電壓處于1、2象限時(shí)，電流流向?yàn)?紅色軌跡)：AC+ -> D1 -> CAP1 -> K -> AC-,電源給給電容CAP1充電，其電壓將達(dá)到交流峰值;當(dāng)交流電壓處于3、4象限時(shí)，電流流向?yàn)?綠色軌跡)：AC- -> K -> CAP2 -> D4 -> AC+.,電源給電容CAP2充電，其電壓也將達(dá)到交流峰值。因此，整流后的電壓將會雙倍于開關(guān)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(guān)管壓降、EMI器件壓降，可以認(rèn)為在重載情況下整流導(dǎo)通約為60度，電壓取值可以認(rèn)為在：DC245V-DC360V.相對于普通全壓電源電壓取值范圍(將達(dá)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?fù)?。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?fù)浣Y(jié)構(gòu)的集成方案實(shí)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(dòng)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(jī)待機(jī)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(shí)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(dòng)電路則使用光耦進(jìn)行隔離驅(qū)動(dòng)，有效避免可控硅驅(qū)動(dòng)電位不一致的問題。

圖2-4中比較器U1-B可實(shí)時(shí)監(jiān)測過零狀態(tài)，同時(shí)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(shí)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(guān)電路，電流得到很好的控制，電流有一個(gè)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(jī)間隔的限制，可以任意開關(guān)次數(shù)和頻率的限制，效果非常明顯。

自動(dòng)倍壓邏輯先于過零邏輯產(chǎn)生。圖2-4中，比較器U1-A實(shí)時(shí)監(jiān)測輸入電壓，其輸出邏輯與過零邏輯為’與‘的關(guān)系。倍壓邏輯電路一方面要能夠根據(jù)輸入電壓自動(dòng)實(shí)現(xiàn)倍壓操作，同時(shí)要能夠有效的防止干擾性波形，引起系統(tǒng)不必要的動(dòng)作甚至誤操縱的可能。如：當(dāng)負(fù)大幅度波動(dòng)時(shí)所帶來的輸入電壓的波動(dòng)，而這種波動(dòng)是在一定范圍內(nèi)活動(dòng)的，所以只需對門限進(jìn)行設(shè)定，便可以允許一定范圍內(nèi)的電壓波動(dòng)。而在開機(jī)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(guān)機(jī)過程中，電壓的正常下跌時(shí)倍壓的誤操作。快速開關(guān)操作過程中，可能存在的倍壓誤操作。

3.4.3 可控硅驅(qū)動(dòng)

雙向可控硅的驅(qū)動(dòng)方面對工作象限較為敏感。令驅(qū)動(dòng)電壓方向?yàn)闄M軸，電流方向?yàn)榭v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(dá)到最大，而且對于di/dt的承受應(yīng)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(dòng)電路。

4.結(jié)論

此電源擁有自動(dòng)倍壓、無NTC以及超低待機(jī)功耗的特點(diǎn)于一身。為追求環(huán)保的大功率開關(guān)電源提出了一種新的設(shè)計(jì)思路，給出了一種新的解決方案，具備較強(qiáng)的實(shí)用性和商用性。