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I江聂大学歹 JIANGSU UNIVERSITY本科毕业论文一种高功率因素开关电源的研究与设计Research and Design of A Switching Power Supply With High Power Factor学院名称：_专业班级：学生姓名：_指导教师姓名：_指导教师职称：讲师一种高功率因素开关电源的研究与设计专业班级：学生姓名：指导教师：职称：讲师摘要随着人们对电源质量的更高要求，高效型、小体积和低污染的开关电源已成 为研发的主流技术。本文将PFC技术、准谐振DC/DC变换与同步整流技术相结 合，设计出一款低磁污染的开关电源，既保证了较高的功率因数，改善了对电网 的影响，又能保证高效率，且控制简单，可靠实用，因而具有一定的应用价值。本文首先阐述了开关电源、功率因数校正技术和同步整流技术的发展及现状,对DC/DC变换的拓扑结构进行了选择，确定了带有隔离的准谐振(Quas i-Reso nant)反激型电路，可以有效地降低损耗；接着本文对几种常见的PFC拓扑电路进行分 析对比，从中选择了 BOOST型电路，对工作在临界状况下的电路进行了分析，采 用跟随输入电压的升压变换新技术，减小了电感体积，同时降低了开关管的电压 应力，既简单又有效地实现了功率因数校正，并发现此技术值得推广；由于反激 型变换器的效率般都较低，所以本文在传统同步整流技术基础上对其加以改进,设计出一种新颖、高效的同步整流方案。对于宽电压范围启动过冲问题，木位设 计出一种防止过冲的启动控制电路。最后为降低电磁干扰(Electr o magnetic Inter fer ence,EMI)设计出开关电源电路输入端的EM1滤波电路。文中对部分电路用Or CAD PspiceA/D仿真软件进行了仿真，选取了元器件，制作样机进行了硬件调试，分析试验数据并。仿真波形对比，实验结果令人满意,实现了高功率因数，整机效率明显提高，因此本文设计的开关电源电路有较高的 推广应用价值。文末还明确了下一步工作的重点o关键词：开关电源；功率因数校正;同步整流;仿真实验HResearch and Design of A Switching Power Supply With High Power FactorABSTRACT With peoples more demand for quality of power,the power supply with high efficiency,little bulk and low contamination have became mainstream of research and development.This paper attempts to associate PFC technology with Quasi-Resonant DC/DC Converter and Synchronous Rectifier technology,to work out a novel switching power supply with higher efficiency and low contamination,which both achieved high power factor,improved effecting on electrical network and ensured high efficiency.Furthermore,it is easy to be realized and controlled in circuit,therefore it has great value of application.Firstly,future development of switching power supply,power factor correcting and synchronous rectifier technology is described,and isolation of Quasi-Resonant Flyback Converter is selected from several topology of DC/DC,which may reduces power loss effectively.Next several common topology of PFC are contrasted with their performance,and BOOST circuit elected is analyzed with operating in critical mode,which adopts new technology of output voltage following along with changing of input,not only can bulk of inductance lessen,but also can voltage stress of switching tube decrease,and reaches power factor correcting easily and effectively,this technology should be extended.Because efficiency of Flyback Converter is lower commonly,so this paper improves on technology of common Synchronous Rectifier and schemes out a new high efficiency scheme of Synchronous Rectifier.About current surge when start in wide voltage,corresponding control circuit of start-up is designed in this paper.Finally,to depress Electromagnetic Interference(EMI),EMI filter is designed at input of switching power supply specially.Simulates parts of circuit using simulation software of OrCAD Pspice A/D,selects circuit components,designs and debuggs sample.And then the data from experiment is analyzed and compared with simulating waveforms,experimental result is satisfying,high power factor is realized and technology of output voltage following along with changing of input is came true successfully.conversion efficiency is improved obviously.The aim and direction of next task has been put forward at the end of this paper.Key words：Switching Power Supply：Power Factor Correction：Synchronous Rectifier：Simulation and experimentsin目录摘要第一章绪论.11.1 线性电源和开关电源的对比.11.1.1 线性电源.11.1.2 开关电源.11.2 开关电源发展概况.21.2.1 发展简史.21.2.2 国内发展现状.31.2.3 目前面临的问题.31.3 功率因数校正技术简介.41.3.1 功率因数校正的由来.41.3.2 谐波的危害及功率因数校正的意义.61.3.3 功率因数校正技术的分类.71.4 同步整流技术概况.91.4.1 同步整流技术的作用.91.4.2 同步整流技术的分类.101.5 本课题的工作内容.12第二章有源功率因数校正电路.132.1 总体方案设计及技术指标.132.1.1 技术指标.132.1.2 总体方案设计.132.2 拓扑电路的选择.142.3 Boost变换器丁.作原理.152.4 CRM工作模式下APFC主电路结构框图.162.5.1 控制芯片的选择.182.5.2 有源功率因数校正控制芯片TDA486 3简介.182.6有源功率因数校正电路的设计.192.6.1 有源功率因数校正主电路的设计.192.6.2 有源功率因数校正控制电路的设计.25第三章二次变换设计.293.1 拓扑结构的选择.293.2 Flyback变换器的原理.293.3 Flyback变换器的控制芯片.303.3.1 控制芯片 NCP1 20 7.313.4.1 变压器的设计.323.4.2 主开关管的选择.353.4.3 MOSFET的驱动和缓冲电路.353.4.4 输出滤波电路设计.363.4.5 控制芯片外围电路设计.373.4.6 电压反馈调节器.38IV3.5 开关电源启动控制及吸收电路.393.5.1 启动控制电路设计.393.5.2 吸收电路参数计算.403.6 同步整流电路设计.423.6.1 电流驱动同步整流技术的丁.作原理.423.6.2 同步整流电路设计.433.7 开关电源的电磁兼容性.443.7.1 EMI 和 EMC.443.7.2 EMI 设计.45第四章电源系统的仿真及结果分析.484.1 APFC电路仿真波形及分析.484.2 DC/DC电路仿真波形及分析.50第五章设计总结与问题讨论.525.1 本文完成的主要工作.525.2 设计工作的总结.525.3 值得进一步探讨的问题.53致谢.54参考文献：.55附录.56v江苏大学本科毕业论文第一章绪论随着社会信息和工业技术的不断发展，作为电子电路、电器和电动设备的工 作动力的电源装置的需求量日益增长，并对其体积、重量、效率、可靠性和性能 等方面提出了更高的要求。1.1 线性电源和开关电源的对比按功率管的T作方式划分，直流电源主要分为两类：线性电源和开关电源，线性电源中的功率管T作在线性放大区，开关电源则是在线性电源的基础上发展 起来的，其功率管作在开关状态，在很大程度上克服了线性电源的缺点，但其 自身也有一定的不足。1.1.1 线性电源线性电源的工作过程为：T频电压先经工频变压器降压后，进行整流滤波，然后经过功率管放大输出，冉将取样电压和基准电压比较后经驱动电路驱动功率 管进行输出电压调整，最后输出纹波电压和性能符合要求的直流电压。线性电源的优点是：电压稳定度及负载稳定度高；输出纹波电压很小；电路瞬态响应速度快；电路结构简单，故障率低，便于维修；由于功率 管工作在放大区，非开关状态，故没有工作频率，因此没有高频开关干扰。线性电源的缺点是：由于功率管工作在放大区，为需要输出大功率时，功 率管本身功耗随着输出功率的增大而增加，因此，整个电源损耗大、效率低；需 要工频变压器，使得电源体积大、重量重，效率大大降低；为了滤掉低频纹波 分量，需要较大的滤波电容。1.1.2 开关电源开关电源(SPS,Switching Po wer Supply)是功率管工作在开关状态的稳压电 源。图1.1给出了基本的开关电源原理框图，实际上，开关电源包括隔离型和非隔 离型，图中所示为非隔离型电路框图。开关电源的核心是一个直流变换器，可以 把一种宜流电压变换成多种性能不同的直流电压。其作过程为：单相交流电压第一章绪论经整流滤波后，通过功率管的开关形成脉动宜流电压，再经滤波电路输出较 平稳的直流电压。为了达到稳定度较高的直流电压，对输出电压取样和基准电压 进行比较放大后，再反馈到脉宽调制器，而后经脉宽调制器输出合适占空比或频 率的驱动信号来调整功率管的开关，以达到输出电压的稳定。开关电源的优点：功耗小、效率高；体积小、重量轻；可以做到宽 范围电压输入，稳定电压输出；滤波器的体枳大为减小。开关电源也存在一些缺点：较为严重的电磁干扰。电路结构相对于线 性电源复杂，故障率较高，维修困难。1.2 开关电源发展概况1.2.1 发展简史20世纪50年代末期，美国科学家罗耶（GH.Ro yer）首先发明了利用磁芯的 饱和来进行自激振荡的晶体管直流变换器，为线性电源向开关电源转化奠定了理 论基础。60年代末，随着晶闸管及其派生器件的出现，开关电源逐渐取代了晶体 管线性稳压电源，诞生了无工频变压器稳压开关电源，效率可达到65%70%,而 线性电源仅为30%40%。从而使电源的体积和重量大为减小，效率提高。70年代后期，随着各种功率晶体管、高频电容、开关二极管、高频变压器磁 芯等器件被成功地研制出，使开关电源的发展走上了通过提高工作频率实现小型 化的道路。不难看出，开关电源的发展是与当今经济社会发展对科学技术的要求分不开 的，开关电源的高效性适应了当今能源问题严峻的状况；它的高频化适应了现代 化装置和设备对电源轻、薄、短、小的严格要求；它的控制器高度集成化，适应 2江苏大学本科毕业论文了任何电控设备对电源的高可靠性要求。1.2.2 国内发展现状我国的晶体管立流变换器及开关稳压电源的研制工作始于60年代初期，到60 年代中期进入实用阶段，70年代初开始研制无工频变压器开关稳压电源。近10多 年来，许多研究机构、高校和工厂研制出多种类型的开关电源，并广泛用于电子 计算机、通讯和彩色电视机等领域，效果较好。工作频率为100kHz200kHz的高 频开关稳压电源于90年代初试制成功，已走向应用阶段。90年代后，随着国外控 制芯片的发展和引进，200kHz以上工作频率的开关电源研制也逐步走向成熟，并 在许多领域替代了T作频率较低的开关电源。H前国内正在致力于研制高工作频 率、多功能化、高效率的开关电源。虽然我国科技人员在开关电源研制方面取得了长足的进展，但。发达国家相 比，仍存在着较大差距，尤其是开关电源PWM控制芯片，因为现有开关电源所用 的PWM芯片儿乎全部来自于国外。根据有关资料报道，西方发达国家一经提高开 关电源的工作频率至1MHz,共至几十MHz,并已应用。由于我国半导体技术和 加工工艺还落后于西方发达国家，致使我国自行研制的开关电源中有许多重要器 件还依赖进口。要缩小西方发达国家在开关电源研制方面的差距，尚需加快研 发的步伐。1.2.3 目前面临的问题随着半导体技术和微电子技术的高速发展，集成度高、功能强的大规模集成 电路不断出现，使得电子设备的体积和重量不断下降，这势必要求体积更小、重 量更轻、效率更高的开关稳压电源来满足电子设备的口益微小型化。这是面临的 第一个问题。提高开关稳压电源的效率就是要提高其工作频率。但T.作频率提高后,对整 个电路中的元器件又提出了新的要求。进一步研究并生产出适合高频工作的开关 管、高频电容器、变压器、储能电感和高频整流二极管等无器件、是开关电源面 临的第二个问题。开关电源高频化后，因开关管的开关速度提高，会受到电路中分布电感和电 容或二极管存储电荷效应而产生较大的浪涌和噪声，再通过电路中元器件进一步 产生较强的尖峰干扰和谐波干扰，加之变压器在高频变换状态下由于漏感、寄生 3第一章绪论电感等因素产生的电磁干扰，都可能对电路中的元器件及电网造成污染。因此,克服开关电源产生的各种噪声干扰，是开关电源面临的第三个问题。1.3 功率因数校正技术简介1.3.1 功率因数校正的由来交直流（AC/DC）变换器是电子产品不可缺少的部分，图1.2所示是最简单 的AC/DC变换器，它是由普通二极管整流桥实现，其输出是不可调节的直流电压，一个大电容Cd用来滤除低 频纹波。在图中，可选模型为：整流二极管为D1N4007,电解 电容Cd为80F/400V,输入交 流电源为220V/50Hz o利用 Or CAD PSpiccA/D仿真工具可 得出输入电流波形和电流谐波220V/50HZDIN4007本80四/400、图L2简单的电容滤波AC/DC变换电路分布图，分别如图1.3和1.4所示。可见，由于此整流滤波电路是由非线性元件和 储能元件组成：二极管和电解电容，整流二极管的导通角很小，输入电流波形为 脉冲状，因此，虽然输入交流电压是正弦波，但输入交流电流波形却发生严重畸 变。由此产生的谐波电流对电网污染严重而且使输入端功率因数下降，导致无功 功率增大。图1.3输入电流波形图图1.4输入电流谐波分布功率因数尸尸通常定义为:(1-1)其中尸为有功功率，定义为4江苏大学本科毕业论文P UI】co s。(1-2)S为视在功率，即端口电压、电流有效值的乘积：S=UI(1-3)式(1-2)和式(1-3)中，U、/分别为、，的有效值，力为电流基波分量，m 为基波电流与输入电压。的相位差，为输入电压的瞬时值，/.为输入电流的瞬时 值。设交流输入电压为正弦，输入电流为非正弦。输入电流有效值/为：式中，小/2,，4分别为电流基波分量、二次谐波、次谐波电流的有效值。设基波电流八落后，相位差为8。则功率因数可表示为：PF=Ulx co s。/5r=/,co s。/(1-5)故式(IT)定义的功率因数可由下式确定：PF=-yC(1-6)式中，八为基波电流有效值和总电流有效值之比，称为基波因数，而co s力称为 位移因数或基波功率因数。可见，功率因数是由基波电流相移和电流波形畸变这 两个因素共同决定。要研究AC/DC变换电路中输入功率因数与谐波的关系，还要引入一个概念，就是“总谐波畸变(To tal Har mo nics Disto r tio n),简称THD。定义为:THD=t-(1-7)式中，/h为所有谐波电流分量的总有效值。则又有：,1=(1-8)1 dl+THD?根据图L4估算一般AC/DC电路的功率因数，可得数据如表1.1所示。表1.1谐波电流分布数值谐波分量(加357911A/10.750.530.310.130.075第一章绪论则 77/D=Vo.752+0.532+0.312+0.132+0.072=Vo 96根据式（1-8）可得1yll+THD21V1+0.96。0.71而co sWI,故叩W0.71。可见，一般AC/DC电路功率因数是较低的，远未有达 到相关的标准。1.3.2 谐波的危害及功率因数校正的意义电流波形畸变和大量的谐波会给系统本身及其周围的电磁环境带来一系列的 危害，主要表现在以下几个方面比引：（1）谐波成分恶化供电系统的供电质量。（2）谐波成分增加了输电、配电和用电系统中的损耗。（3）谐波成分影响供用电系统的安全。（4）谐波成分会导致一些重要的控制、保护和测量装置误动作。（5）高次谐波干扰通信系统。由于谐波的危害口益严重，世界各国都对谐波问题予以足够的重视。不少国 家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定，如 国际电气电子工程师协会（IEEE）、国际电工委员会（IEC）和国际大电网会议（CIGRE）都推出了各自建议的谐波标准,其中最有影响力的是IEEE519-992口】、IEC555-2（修订版本）和IEC61000-3-2,我国也于1993年制定了限制谐波的规定 和国家标准。功率因数校正技术是解决电力电子装置造成的谐波污染和电磁干扰的有效解 决方案，它能改善电网供电质量，减少供电中的损耗，保证精密电子仪器和安全 装置的正常工作,符合“绿色能源”的发展方向。功率因数校正器的主要优点是：可获得较高的功率因数，如0.957）.99,甚 至到1;谐波畸变率7。小，可在较宽的电压输入范围（如90Vac264Vac）和 宽频带下T作；体积小、重量轻；输出电压稳定度较高。功率因数校正器的主要缺点是：电路狂杂，成本高；EMI高，效率下降。6江苏大学本科毕业论文1.3.3 功率因数校正技术的分类从应用机理看，功率因数校正(Po wer Facto r Co r r ectio n,PFC)分为无源功率因数校正和有源功率因数校正(Active Po wer Facto r Co r r ectio n,APFC)两大类。无源功率因数校正可分为滤波法和电容二极管构成的填谷校正法。有源功率因 数校正中，按作模式可分为连续导电模式(Co ntinuo us Co nductio n Mo de,CCM)和不连续导电模式(Disco ntinuo us Co nductio n Mo de,DCM)；按拓扑结构可分为单级模式和双级模式网。1无源PFC技术这一技术是在整流器和电容之间串入一个滤波电感，通过LC滤波器来消除高 次谐波以提高功率因数，如图1.5所示。在图1.5中，二极管用Philips的BYT 12P-1000模型，其他元件参数如图1.5中所示。用Or CAD PSpiccA/D仿真工具进行仿真，可得出图1.6输入电流波形和图L7输入电流谐波分布。根据图1.6可估算出图1.5所示AC/DC变换电路的功率因数PFW0.89,可见用简单的电路就可达到提高功率因数的目的。但这一技术所需电感值较大，电路笨重，而且输入电流波形的质量仍然不高，也不能保证任意输入电压都能达到高功率因数。4无源PFC技术的主要优点是：简单，成本低，可靠性高，EMI小；主要缺点 是：体积、重量大，难以得到高的功率因数，工作性能与频率、负载、输入电压变化有关，电感电容的充放电电流过大。图1.7输入电流谐波分布图1.6输入电流波形7第一章绪论2有源PFC技术随着功率半导体器件的发展，开关变换技术突飞猛进，现代有源功率因数校 正技术应运而生，逐渐代替了早期采用晶闸管电路的有源功率因数校正技术,这种 校正技术具有体积小、重量轻、效率高，功率因数可接近1等优点。80年代的有 源功率因数校正技术主要集中在连续导电模式(CCM)下的Bo o st变换器的研究 上小明这一变换器的各种控制方式一般是基于“乘法器”原理，可以获得很大的 功率转换容量，对于小功率的情形则不太适合，因其控制方式和电路较复杂。80 年代末，提出了利用某些拓扑电路工作在不连续导电工作模式(DCM)下所表现 出的输出电流自动跟随输出电压的特性，来实现接近1的输入功率因数校正方法，这一 PFC技术称为自动功率因数校正或电压跟随器(Vo ltage Fo llo wer)0在DCM 模式下，电力电子电路的各种基本拓扑都具有输入电流自动跟随输入电压的特性。与乘法器型PFC电路相比，电压跟随型PFC电路的控制简单，仅需要一个输出电 压控制开关。因此，大多数现有的PWM开关电源控制用IC均可作它的控制器。1)单级AC/DC变换器为了降低开关变换器的成本及提高变换器的效率，许多学者将稳压和功率因 数校正(PFC)集中到一个功率级中。但存在许多难以克服的困难，如低频输出纹 波很大，输出电压调节慢，控制结构更杂，电感中漏感存储了太多能量，由于环 路电流太大，所以效率依然很低，从相关文献10中可以看出，现代研究学者对 单级隔离功率因数校正开关电源技术还在进一步深入研究中。2)临界导电模式在DCM模式下Bo o st型功率因数校正电路中，当限定PFC拓扑电路工作在 CCM和DCM的临界点时，称此时PFC拓扑为临界导电模式(Cr itical Co nductio n Mo de,简称CRM),其基本原理如图1.8所示。8江苏大学本科毕业论文VD|临界导电模式转换器的主要波形如图1.9所示，其基本I：作原理为：输出电压 经取样送入误差放大器，与内部基准电压比较放大，输出误差信号与输入电压信 号一并送入参考乘法器，而乘法器输出信号是经增益系数变换后的全波整流正弦 信号向。这样电流整形网络强制电流跟随乘法器的波形，当电感电流上升到z/r cf 值时，经控制逻辑输出低电平，关断开关管，电感电流开始下降，待零电流检测 到电感电流下降到零时，控制逻辑输出高电平来开通开关管，电感电流再次上升，如此周而复始，循环不已。临界导电模式转换器的优点是电路结构简单，所需电感体积相对较小，便于 设计，调试方便，可以实现开关管无损耗和软性开通，适于功率不大的场合。缺 点是频率随着线路和负载的变化而变化，电流峰值较高，存在着潜在的EMI问题。适合于临界导电模式的IC有TDA4863、FAN7527、SG656R MC33262、L6562 等。1.4 同步整流技术概况1.4.1 同步整流技术的作用在输出电压较低、电流较大的电源模块的设计图1.9 CRM波形中，采用传统的次级整流电路常用的整流二极管特 别是肖特基二极管整流式电源的效率是很低的，这就需要采用另种效率高的整 流方式来降低功耗，提高效率。目前采用同步整流方式已成为低电压、大电流电 源模块实现减少整流功耗，提高变换器的效率的重要手段。9第一章绪论1.4.2 同步整流技术的分类同步整流技术的基础是使用MOSFET来代替：极管整流，按驱动信号类型可 分为电压驱动和电流驱动，其中电*驱动的同步整流器可分为自驱动和外驱动两 种类型1久(1)自驱动电压型同步整流技术自驱动电压却同步整流技术是由变换器中的变压器次级电压宜接驱动相应的 MOSFET,如图1.10口引所示，这是一种传统的正激变换同步整流技术，其优点是 不需要额外附加驱动电路，结构简单。缺点是两个MOSFET管的驱动电压时序图1.1 0正激变换器同步整流电路 图1.1 1正激变换器同步整流波形不够精确，MOSFET不能在整个周期内代替二极管整流，使得负载电流流经 MOSFET寄生二极管VDzz的时间较长，如图1.11中深色阴影部分所示，这就造 成较大的损耗，限制了提高效率。但使用谐振技术和有源钳位技术来完善自驱动 同步整流技术，将会有效地提高其效率(2)外驱动(电压驱动型)同步整流技术外驱动同步整流技术中MOSFET驱动信号需从附加的外驱动电路获得。为了 实现驱动同步，附加驱动电路需由变换器主开关管的驱动信号控制，见图1.12o10江苏大学本科毕业论文为了尽量减小负载流过寄生二极管 的时间，须使次级的MOSFET VTi和VT2 能在一个周期内均衡地轮流导通，即两 个MOSFET驱动信号的占空比为50%的 互补驱动波形口町。外电路驱动提供了精 确的时序，可达到上述要求。但为了避 免两个MOSFET同时导通而引起次级短 路现象，应留有一定的死区时间。虽然外驱动同步整流比传统的自驱动同步整流 效率较高，但它却要求附加复杂的外驱动电路，旦会带来驱动损耗。特别是在开 关频率较高时，驱动电路的复杂程度和成本都较高。因此，外驱动同步整流技术 并不适于开关频率很高的变换器中。(3)电流驱动同步整流技术电流驱动同步整流是通过检测流过自身的电流来获得MOSFET驱动信号。如 图1.14中(a)所示，VT在流过正向电流时导通，而当流过自身的电流为零时关 断，使反相电流不能流过VT,故此处MOSFET与整流二极管一样只能单向导通,用在各类变换器拓扑电路中。与电压型同步整流技术不同，电流驱动同步整流技 术对不同的变换器拓扑不需要不同的驱动电路或结构。因此，电流驱动同步整流 器有较好的发展前景。但它由检测电流而造成的功耗很大；另外由于零电流检测 的不准确性，会造成VT提早关断而由寄生二极管代替导通从而造成损耗或晚关断而引起次级回流，因此影响了它的使用。为了解决检测电流所引起的高损耗 问题，文献16提出了能量恢复电流驱 动同步整流技术，如图1.13(b)所示，该 电路将电流检测损耗的部分能量送到输 出端，使电流检测损耗的能量得到定 的恢复，从而较大地提高了整流效率-为电流驱动同步整流器得以应用提供了 基础。(a)(b)图1.1 3(a)电流驱动同步整流技术；(b)能量恢复电流驱动同步整流技术11第一章绪论1.5 本课题的工作内容本课题的主要工作为以下几个方面:（1）有源功率因数校正拓扑电路的选择及设计。（2）DC/DC变换器的拓扑选择及设计。（3）分析同步整流技术的发展现状及其原理。（4）计算并确定元器件的参数。（6）使用电路仿真软件ORcad PSpice A/D进行仿真，观察关键处波形，对 电路参数进行修改。（7）分析仿真结果得出结论。12江苏大学本科毕业论文第二章有源功率因数校正电路2.1 总体方案设计及技术指标2.1.1技术指标本课题研制的开关电源适用于大屏幕液晶显示器，其技术指标如下：(1)输入技术指标输入电压范围：90Wc-264Vac输入电源频率：50Hz/60Hz5%输入电源相数：单相整机效率：284%,在 90Vac 时；287%,在 220Vac 时谐波电流：符合 GB17625.1-1998/1EC61000-3-2 class D(2)输出技术指标额定输出电压:+12Vdc；+24Vdc额定输出电流：12V/5A；24V/6A最小输出电流：12V/0.2A；24V/0.3A输出纹波和噪声(最大)：+12V：120mVp.p25,200mVp.p10；+24V：240mVp.p25,350mVp.p10最大输出功率：200W(3)附属功能输出过压保护：+12V：215V 时关机;+24V：227V时关机输出过流保护：+12V：26A 时关机；+24V：213A时关机输出短路保护：当输出短路时自动关机，故障排除后通电可恢复工作2.1.2总体方案设计图2.1为本课题研制的开关电源总方框图。从220V交流电网经一次整流供给后级功率因数校正器。采用Bo o st型功率因数校正电路来提高电源的输入功率因 数，同时降低了谐波电流，减小了谐波污染。13第二章fj源功率因数校正电路图2.1中功率因数校正PFC的输出为一宜流电压口，通过DC/DC变换可将 这一电压变换成所要求的两输出宜流电压U0】(12V)和t/o 2(24V)0 DC/DC变换器 的类型有多种，本设计方案选为隔离式，这样可.保证用电安全。隔离式DC/DC变 换形式又可分为RCC式、正激式、反激式、半桥式、全桥式和推挽式等，其中半 桥式、全桥式和推挽式用于大功率输出场合，它们激励电路复杂，实现起来较困 难。正激式和反激式电路实现起来较简单，对于200W的输出功率，两种方式都 较容易实现，但由于PFC输出电压需要变化，而反激式在输入电压变化较大的情况下可保持输出电压稳定不变，相对来说正激式在这方面不如反激式灵活，因此,本课题中的Uc/U，变换就采用反激方式。通过输出克流电压(12V)来控制APFC 和24V变换器的T作。为了改善开关电源的性能，电源还需要增加一些附属电路，一是能有效地保 护电源，及时防止负载本身的过压、过流或短路。二是软启动控制电路，它能保 证电源稳定、可靠且有序的T作，防止启动时电压电流过冲。三是浪涌吸收电路,可防止因浪涌电压电流而引起输出纹波峰-峰值过高、高频辐射和高次谐波的产 生，同时还需注意噪音的抑制。2.2 拓扑电路的选择电力电子电路的 6 种基本拓扑(Buck,Bo o st,Buck-Bo o st,Flyback,Sepic,Cuk)原则上都可以用在功率因数校正技术上，其中Bo o st有源功率因数校正拓扑 在80年代开始就集中研究，是很成熟的一种拓扑方案，可以获得很大的功率转换 14江苏大学本科毕业论文容量。而Buck和Buck-Bo o st功率因数校正拓扑的输入电流波形都不很理想，相对 来说选择Bo o st拓扑可以获得很高的功率因数，同时可得到较理想的输入电流波 形，但因其控制方式和电路较复杂，对于小功率的情形则不适合。本方案设计的 开关电源输出功率为200W,属于小功率范围，因此APFC拓扑电路方案选用T作 在CRM模式下的Bo o st型功率因数校正拓扑电路，优点是电路结构简单，所需电 感体积相对较小，便于设计，调试方便。2.3 Boost变换器工作原理Bo o st变换器电路如图2.2所示，主要由驱动开关S、电感、电容。组成。Bo o st变换器完成将电压Ui升压到的功能口久当处于临界工作方式（CRM）时,升压型电路在一个开关周期内相继经历2个开关状态。5b）开关状态2（S断，电感电流为零）a）开关状态1（S通）图2.2 Boost电路在CRM工作模式下的开关状态电路工作时的波形如图2.3所示。访力时段：电路处于开关状态1，开关S于平均值等于负载电流负载电流为:15第二章fj源功率因数校正电路4R(2-1)图2.3中电感电流峰值为:UD(T-D)Ts L(2-2)而VD的电流开关周期平均值为:_UoD(-D)2T,(2-3)2L再来看输出电东叮输入电压的关系，如图2.3所示。根据稳态条件下电感电 压开关平均值为零的原理有UQTs=(u0qxi D)q(2-4)解得：在临界状态卜，总有输出电压大于输入电压，且负载电流越小，输出电压就 越高。输出空载时，UT8,故升压电路不能空载，PFC输出电压的典型值为380 V-400V,这种高压在许多设计中是不希望的，这是它的不足之处。2.4 CRM工作模式下APFC主电路结构框图图2.4为CRMT作模式下APFC主电路结构框图。由图可看出，此主电路中 图2.4 CRM工作模式下APFC主电路结构框图16江苏大学本科毕业论文前端有对输入交流电源整流的整流桥，整流桥后可加小电容用来滤波，还可使PFC 在整流后交流半波低电压交汇处也能够连续作。输出电压取样通过误差放大器 能够使输出电压保持恒定。同时，开关管下端的电流取样通过甩流整形网络使得 输入电流能够跟随输入电压变化，通过电流取样还可起到过流保护作用。电流整 形网络的主要功能是迫使电感电流的平均值跟随参考乘法器产生的电流控制信 号。开关管的开关主要通过电感次级线圈的零电流检测和控制逻辑功能来实现，当电感电流降低到零时，开关管无损耗且软性导通，当电感电流上升到基准输入 电流峰值时，开关管关断，如此周而复始。图中还有一个特点，就是有一个输出/输入电压跟随控制电路，该控制电路可 使PFC输出电压根据输入电压的变化而相应的作自动调整，从而在宽范围的输入 电压下得到宽范围PFC输出电压，克服了 Bo o st输出电压过高而恒定不变的缺点。2.5有源功率因数校正控制电路控制回路是由电流环和电压环双环组成。电流控制环由电流调节器、PWM调 节器和功率转换电路组成，其作用是迫使输入电流跟踪输入电压的波形。电压控 制环起稳定输出电压的作用。输出电压的大小可以通过控制标准电流信号的平均 幅值的变化来实现，整流后的线电压和电压误差放大器的输出通过参考乘法器相 乘来产生标准的电流控制信号，因此，产生的输出电压的电流控制信号有输入电 压的波形和平均幅值。如图2.4中的参考乘法器所示，乘法器的输出是一个电流控 制信号，输入乘法器的整流线电压信号是电流信号，而非电压信号。图24中，电压环由输出电压取样电路、误差放大器和参考乘法器组成。输出 电压的稳定首先通过取样电路产生输出电压取样信号，在误差放大器的输入端有 一基准电压，输出电压取样信号与基准电压比较放大后输出一误差信号。整流后 的线电压经一定比例取样后产生一基准电流信号，在参考乘法器中与误差信号相 乘产生标准的电流控制信号，通过标准的电流控制信号来调整电感电流的平均值 大小，相应地来控制输出电压的稳定。例如，若输出电压有扰动升高，则取样信 号变大，误差放大器输出一反相的较大的误差信号，因基准电流信号不变，参考 乘法器输出比原来幅值较低的标准电流控制信号，这样使电感电流平均值降低，相应地使输出电压降低；反之亦然，若输出电压有扰动降低，也能够通过自动调 17第二章fj源功率因数校正电路节使输出电压升高，因而达到稳定输出电压的目的。电流环包含在电压环内，主要由电流取样和电流整形网络组成。其电流峰值 大小由标准阻流控制信号峰值决定。开关管导通后，电感电流上升，当上升到标 准电流控制信号峰值时开关管关断，电感电流开始下降，当下降到零时，开关管 乂开始导通，如此循环工作。电流环本身自动调节是通过电压环来实现的，而