剖析切换式电源供应器的原理及常用元件规格
(本文发表於新电子科技杂志第 196 期.2002 年 7 月号) 宋自恒 1林庆仁 2 1.品佳股份有限公司 2.中央研究院地球科学研究所
一,转换效率高,可直流输入的切换式电源供应器
由於大部分电子器材(如电视机,音响,电脑…等)其内部元件所使用的 电源均为直流电,故必须有电源供应器(或整流器)来把交流市电转换成各种 不同的直流电压以使电器发挥功能.依其电路结构的不同,电源供应器可分为 线性式和切换式电源供应器两种,简单的线性式电源供应器是由变压器,二极 体整流器和电容滤波器所组成(如图一) ,其优点是电路简单,稳定度高,暂态 响应快,可靠度高,涟波小,电磁干扰小,然而因其使用大电流变压器,体积 大且重量重,大多无法直接安装在电路基板上,转换效率低(约 3050%) , 不可做直流输入都是其缺点.为克服线性式电源供应器的种种缺点所发展出的 切换式电源供应器 (方块图如图二所示) ,其优点是转换效率高,空载时耗电小, 重量轻,可做直流输入….虽然在电路结构上比线性式电源供应器来得复杂, 涟波比较大,电磁干扰也比较大,但整体而言,切换式电源供应器仍优於线性 式电源供应器,故目前电源供应器的市场乃以切换式电源供应器为主流. 一个优质的切换式电源供应器至少应具有下列特点: l 输入电压范围为 90 264 伏特之间 . l 输入频率范围 47 63Hz . l 转换效率 80 %以上 . l 停电后输出维持时间(Hold up time )最少 10 毫秒以上. l 产生之电磁干扰(Electromagnetic Interfrence, EMI) (Power line noise ) 杂讯 须符合FCC和CE标准. 注 1.) ( l 输出入端具隔离效果. l 输 入 电 压 超 出 额 定 值 时 输 出 电 压 的 改 变 量 (Line Regulation)须小於± 1 % 以下 . l 输出涟波和杂讯在 1 %以下. l 具过电压,过电流保护功能. l 具有防静电和防雷击功能. l 机壳的漏电流在 0.75mA 以下. 典型的切换式电源供应器是由 9 个部分所组成,分别是输入级(Input stage) 包括 EMI 滤波器和桥式整流电路; 功率因数调整级 (Power Factor Correction, PFC
stage)包含功率因数调整电路;功率级(Power stage)包含功率开关,脉波宽 度调变(Pulse Width Modulation, PWM)与驱动电路,隔离高频变压器,整流 二极体及输出滤波器;回授级(Feedback stage)包含误差放大器及光隔离器. EMI 滤波器的主要目的是防止连接在同一电力系统的电气装置所产生的传 导性电磁杂讯经由电源导线而彼此互相干扰.桥式整流电路把输入交流电源转 换为直流电 VI.功率因数调整(PFC)电路的目的是调整电源供应器的功率因 数,使符合环保标准.PWM 与驱动电路用来控制功率开关的导通与否,当功 率开关导通时,输入电压 VI 会供应到隔离高频变压器的初级绕组上,此时初级 绕组上的电流逐渐增加并将能量储存於其中,同时把能量感应在变压器的次级 绕组上,整流二极体把变压器次级绕组上的电压转变为直流电,经输出滤波器 滤除涟波成分后输出直流电压,当功率开关截止时,储存在隔离高频变压器初 级绕组上的能量转移到次级绕组上,持续提供输出电流.误差放大器截取一部 分输出电压与想得到的电压做比较,误差值经光隔离器耦合到 PWM 控制电路 上,藉由改变脉波宽度来控制功率开关的导通时间,以精确得到想要的直流输 出电压. 为因应各种不同的输出功率,切换式电源供应器发展出下列几种常用的电 路拓仆(Topology) ,分别是返驰式(Flyback) ,顺向式(Forward) ,全桥式(Full Bridge) ,半桥式(Half Bridge)和推挽式(Push-Pull)等,本文将针对此五种 电路拓仆,分析其原理及设计方法,并提供一些目前市售元件的产品规格给读 者参考. 注 1:FCC为美国联邦通讯委员会的缩写,CE为欧盟共同标准.
二,电路简单,成本低廉的返驰式电路拓仆
图三为目前最普遍被使用的返驰式电路拓仆之电路简图,在 100W以下 的应用上,由於它的变压器又兼作输出储能电感使用,且次级端仅需一个二极 体,故电路简单成本低廉,以成本的角度来说,它几乎是没有别的电路所能取 代的.由 L1,PFC IC,Q1,D1 和 C1 组成 PFC stage,用来调整电源供应器的功 率因数,使符合环保标准.L1 的典型值约数百μH数mH之间,一般采用铁 粉芯(Iron Power Core)材质,Q1 电晶体的规格要求为耐电压 600V,耐电流 7 A以上,表一为业界常用的规格.PFC IC 控制 Q1 的导通与截止,一般依流过 电感的电流波形分为连续式(Continuous)和不连续式(Discontinuous)两种, 业界一般采用的型号有 TI 的 UC3852 ,UC3854 ST 的 6561 及 Infineon的TDA4863 , 等.D1 为功因调整用超快速回复二级体(PFC Hyperfast Recovery Diode) ,一般 规格为耐电压 600V,耐电流 5A以上,反向回复时间 (Reverse recovery Time, trr) 为 20ns 以下,表二为业界一般采用的规格型号.C1 则依其输出涟波规格大小来 决定其值,典型值通常在 100μf 以上,耐压在 450500V 之间,一般采用电解 电容材质.

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