高效率大功率適配器的研究

隨著技術(shù)的發(fā)展，電腦CPU的工作頻率越來越高，其信息處理能力及各方面功能越來越強(qiáng)，這樣就要求為之供電的適配器功率相應(yīng)較大。目前DELL等公司已為其生產(chǎn)銷售的移動(dòng)PC、筆記本電腦，向電源生產(chǎn)商提出了150W甚至200W適配器的供貨要求。對(duì)于如此大功率適配器，從安全角度考慮，要求適配器的密封性能要好；為便于攜帶，同時(shí)又希望適配器的體積小。但這些要求卻不利于適配器的散熱（由于損耗所產(chǎn)生的熱量），為此必須采用高效率、低損耗的解決方法。

針對(duì)下一代大功率筆記本電腦適配器，本文提出了一種高效率的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并分析研究了其電路工作原理，最后給出了電路參數(shù)的選取方法和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2 工作原理

筆記本電腦適配器是一種高質(zhì)量直流輸出電源，一般要求它具有寬的交流輸入電壓范圍:90V~264V，并且能夠適應(yīng)輸入電壓頻率的波動(dòng)：47Hz~63Hz。對(duì)于輸入功率大于75瓦的適配器，還要求其輸入電流諧波滿足IEC-1000-3-2 Class D標(biāo)準(zhǔn)，為此適配器須有功率因數(shù)校正（PFC）功能。

本文介紹的大功率150瓦筆記本電腦適配器，其輸出電壓：直流12V；電壓調(diào)整率：￡ ±5%；額定輸出電流：12.5A。為滿足高功率密度及低成本等要求，經(jīng)綜合考慮，該適配器采用兩級(jí)電路架構(gòu)，如圖1所示。前級(jí)PFC是升壓Boost變換器結(jié)構(gòu)，采用電流臨界斷續(xù)模式（DCMB ）控制；后級(jí)直流變換DC/DC部分采用雙管正激變換器并對(duì)二次側(cè)實(shí)行同步整流。

圖1　適配器的電路結(jié)構(gòu)

2.1 功率因數(shù)校正（PFC）電路

由圖1可知，交流輸入電壓Vi經(jīng)整流橋CR1、輸入濾波器L1、C1后，通過電感L2、開關(guān)S1、二極管D1組成的Boost 電路變換為直流母線輸出電壓VB。

圖2 PFC電流臨界斷續(xù)模式控制原理時(shí)序

PFC工作原理時(shí)序[1]，如圖2所示。PFC輸出電壓VB的反饋信號(hào)與PFC控制芯片（如ST公司L6561）內(nèi)部基準(zhǔn)信號(hào)比較后，產(chǎn)生一電壓誤差信號(hào)；在誤差放大器的帶寬足夠低時(shí)（如20Hz以下），該電壓誤差信號(hào)就是一個(gè)直流量；此信號(hào)和輸入整流電壓相乘后，得到PFC電感峰值電流基準(zhǔn)信號(hào)（見圖2）。開關(guān)S1開通后，PFC電感電流iL2線形上升，達(dá)到峰值電流基準(zhǔn)時(shí)，S1關(guān)斷；隨后iL2通過二極管D1續(xù)流，同時(shí)向電容C2充電，在電壓VB的壓迫下，iL2線形下降；當(dāng)PFC控制芯片檢測(cè)到電感電流iL2為零時(shí)，開關(guān)S1將再次開通，開始下一個(gè)開關(guān)周期。電感電流iL2經(jīng)輸入濾波器L1、C1濾波，得到連續(xù)光滑的正弦輸入電流，即圖2中所示的平均電流，其值為PFC電感峰值電流基準(zhǔn)的一半。

由于開關(guān)S1是在電流iL2為零時(shí)開通的，故開關(guān)S1是零電流開通（ZCS）,因此PFC的開關(guān)損耗大為減少；另外由于S1開通時(shí)，二極管D1的電流已經(jīng)為零，所以D1的反向恢復(fù)問題也得到解決，由反向恢復(fù)引起的損耗將不存在， D1用普通的二極管即可。因控制簡單，PFC可采用低成本的控制芯片。

由上分析可知，電流臨界斷續(xù)模式控制的 PFC不僅變換效率高，而且還具有控制簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 雙管正激DC/DC直流變換電路

為將較高的直流母線電壓VB（約390V）變換成較低的適配器輸出電壓Vo（12V），DC/DC部分采用了雙管正激直流變換器，它由開關(guān)管S2、S3、續(xù)流二極管D2、D3、變壓器Tr、同步整流管S4、同步續(xù)流管S5、輸出濾波器Lo、Co構(gòu)成（參看圖1）。變壓器的作用是實(shí)現(xiàn)原、副邊隔離及輸入、輸出電壓匹配。

圖3 雙管正激直流變換器控制原理時(shí)序

雙管正激直流變換器的控制原理時(shí)序，見圖3所示（以濾波電感電流iLo連續(xù)為例）。為分析方便，假定開關(guān)管S2、S3的漏源電容為零，這樣其漏源電壓就能夠瞬時(shí)變化。其中Vgs2、Vgs3分別是S2、S3的控制信號(hào)，兩者時(shí)序完全相同。

t0～t1：t0時(shí)刻，S2、S3同時(shí)開通，變壓器Tr原邊繞組EF的電壓為VB，即VEF=VB，則副邊電壓VGH=VB*N2/N1，輸出濾波電感Lo中的電流iLo經(jīng)電感Lo、電容Co（包括負(fù)載）、同步整流管S4、變壓器副邊繞組HG流通，電感Lo的前端電壓VG=VGH=VB*N2/N1。由于此時(shí)VG大于適配器輸出電壓Vo，故iLo從iLomin線形上升到iLomax。

t1～t2：t1時(shí)刻，S2、S3同時(shí)關(guān)斷，變壓器原邊繞組電流經(jīng)二極管D2、D3續(xù)流，同時(shí)變壓器進(jìn)行磁復(fù)位，此時(shí)VEF=-VB，副邊電壓VGH=-VB*N2/N1，S2、S3的漏源電壓VDS2=VDS3=VB；iLo經(jīng)電感Lo、電容Co（包括負(fù)載）、同步續(xù)流管S5流通，Lo的前端電壓VG=0。由于VG小于輸出電壓Vo，故iLo從iLomax線形下降。

t2～t3：t2時(shí)刻，變壓器原邊繞組電流續(xù)流完畢且磁復(fù)位結(jié)束，S2、S3仍然關(guān)斷，此時(shí)VEF=0，原邊電壓由開關(guān)S2、S3分擔(dān)，即VDS2=VDS3=VB/2（假定S2、S3型號(hào)相同），這樣開關(guān)S2、S3在下一次開通時(shí)的損耗就大大降低了。副邊電壓VGH=0，iLo經(jīng)電感Lo、電容Co（包括負(fù)載）、同步續(xù)流管S5流通。T3時(shí)刻，iLo線形下降至iLomin后，S2、S3同時(shí)開通，開始下一個(gè)開關(guān)周期。

為提高效率，用開關(guān)管S4、S5代替二極管以減低二次側(cè)的導(dǎo)通損耗。同步整流管S4的導(dǎo)通時(shí)間和開關(guān)S2、S3的導(dǎo)通時(shí)間同步，同步續(xù)流管S5的導(dǎo)通時(shí)間和開關(guān)S2、S3的關(guān)斷時(shí)間同步。為保證變壓器可靠復(fù)位，雙管正激直流變換器的最大占空比應(yīng)小于0.5。

3 參數(shù)選擇和試驗(yàn)結(jié)果

3.1 參數(shù)選擇

本文研制的150瓦筆記本電腦適配器，其中PFC控制芯片采用ST公司生產(chǎn)的L6561，其價(jià)格較低，外圍控制電路所用元器件少；設(shè)定PFC的輸出電壓VB=390V（略大于最大輸入電壓的幅值）；PFC其他器件參數(shù)如下：

共模濾波電感（圖1中未畫出）：LFZ2805V08；

差模濾波電感L1：73uH；PFC Boost電感L2：165uH；

全波整流橋CR1：RBV-406；二極管D1：8ETH06；

開關(guān)管S1：ST公司STP12NM50FP，12A/500V，Rds=0.30W(Typ)；

輸入濾波電容C1：1uF/400V；直流母線輸出濾波電容C2：100uF/400V。

雙管正激直流變換器的控制芯片采用價(jià)格便宜的UC3845；考慮到負(fù)載動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求及輸出阻抗，設(shè)定滿載時(shí)占空比為0.38；變壓器原、副邊匝比為N1:N2=56:5，選用philips公司生產(chǎn)的鐵芯EFD30-3F3；其他器件參數(shù)如下：

原邊開關(guān)管S2、S3：STP12NM50FP；續(xù)流二極管D2、D3：MUR160；

副邊開關(guān)管S4、S5：Fairchild公司FDP038AN06A0, 3.8mW/80A/60V；

輸出濾波電容Co：Rubycon ZL series，1500uF/16V；

輸出濾波電感Lo：20uH；開關(guān)頻率：180k Hz。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

圖4為Vi=90V時(shí)PFC滿載輸入電壓及輸入電流試驗(yàn)波形，可以看出輸入電流波形的正弦性好，經(jīng)測(cè)定功率因數(shù)PF值大于0.99；圖5為雙管正激直流變換器輸出濾波電感前端電壓VG、原邊下管S3漏源電壓VDS3的試驗(yàn)波形，由圖可知在原邊開關(guān)管S2、S3開通前，S3的漏源電壓VDS3=VB/2。由于S2、S3的漏源電容實(shí)際不為零，VDS3（以及VDS2）從VB下降到VB/2是通過其漏源電容和變壓器激磁電感諧振來完成的，故VDS3下降（從VB到VB/2）需要一定的時(shí)間，并具有一定的斜率。

圖4　PFC滿載90V時(shí)輸入電壓、輸入電流試驗(yàn)波形　圖5　DC/DC輸出電感前端電壓、原邊下管漏源電壓試驗(yàn)波形

圖6為PFC在不同輸入電壓下的滿載效率曲線（不包括控制損耗），該效率隨輸入電壓的升高而升高，在90V時(shí)最低，但也高達(dá)95.08%；圖7為DC/DC變換器在不同輸出負(fù)載時(shí)的效率曲線（不包括控制損耗），其150W滿載時(shí)效率高達(dá)96.04%；圖8為不同輸入電壓下適配器的滿載效率曲線（包括控制損耗），滿載時(shí)適配器的整體效率超過90.80%，該效率曲線的特點(diǎn)也是隨輸入電壓的升高而升高，在230V時(shí)可高達(dá)93.57%。

圖6 不同輸入電壓下PFC滿載效率曲線

圖7　DC/DC不同輸出負(fù)載時(shí)的效率曲線

圖8 不同輸入電壓下適配器的滿載效率曲線

4 結(jié)論

本文研制的150瓦筆記本電腦適配器具有兩級(jí)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，前級(jí)PFC采用電流臨界斷續(xù)模式控制，后級(jí)DC/DC部分采用雙管正激變換器。PFC和DC/DC各自獨(dú)立，控制電路簡單，成本相對(duì)低廉。適配器的整體效率高，滿載時(shí)超過90.80%。實(shí)