一种超宽输入范围的开关电源的设计

陈丹江 张伟 肖质红 叶银忠

(1.上海海事大学，上海 200135;2.浙江万里学院，浙江 宁波 315100;3.上海应用技术学院，上海 200235)

0 引言

随着开关电源的大量应用，对其要求也在不断的提高，要求其效率高、功率因数高、功率密度高、可靠性高等。

当要求开关电源能够适应交流110伏和220伏两种电力规范时，开关电源一般设计成交流90伏～265伏输入，比如笔记本充电器、计算机电源等。但是在一些工作条件更加恶劣的情况下，有时交流输入电压低于90伏或者高于265伏时，仍然要求开关电源能够正常工作。许多学者对这方面的研究也取得了一定的成果，比如对利用TOPS witch设计的开关电源进行改进，可以把输入电压扩展到交流80到400伏。但是对于输入电压小于80伏时，甚至达到20多伏时，对于这方面的研究还比较少。［1，2］

本文以升压电路和反激电路为基础，设计制作了一款新的开关电源，在保持电路良好性能的前提下，输入电压的范围达到了交流25到265伏，比例超过了1比10。

1 电路工作原理

1.1 总体设计思想

考虑到单个开关电源输入电压范围有限，因此本文考虑采用两级工作的思想来设计电路。当输入电压比较高时，输入电压VAC直接经过整流作为反激电路的输入电压，如图1所示。图中两个继电器都工作在常闭状态，中间的升压电路不工作。如果输入电压比较低时，通过图1中迟滞比较器的判断，控制两个继电器吸合，两个开关都打到常开状态，因此，输入电压VAC经过整流后变成V1，再经过升压电路提高电压得到V2，然后作为反激电路的输入电压。采用迟滞比较器在判断输入电压高低时，有一个迟滞范围，使电路更加稳定工作。

图1 开关电源工作原理框图(图中继电器常闭)

按照图1两个继电器处于常闭还是常开，显然整个电路有4中组合的工作模式，如表1所示。

表1 开关电源的工作模式

1.2 升压电路设计

升压电路采用Boost电路，控制芯片采用芯片L6561，L6561为一电流准连续模式的APFC控制芯片，即电感电流处于连续模式与断续模式的临界点，也称为瞬时模式的功率因数校正器(TMPFC)。因此，开关电源在低压输入时，电路兼具功率因数校正的功能。［3～6］

升压电路的具体电路图如图2所示，图中变压器T1的原边，二极管D1，MOS管M1组成升压电路主电路。变压器T1的副边电压经过滤波稳压后给L6561供电。由于升压电路只是在输入较低电压时工作，因此规定其工作条件为输入电压交流25 V～90 V，输出电压直流140 V。这里简单介绍一下变压器T1原边电感L1的设计。

图2 升压电路原理图

设计电感包含许多的参数，也有不同的方法可以使用。这里采用一种工程上计算比较方便的方法，首先定义:

主输入电压范围:Virms(min)～Virms(maxn)(即图2中的VAC的变化范围)

输出直流电压值:V2

额定输出功率:Po

最小切换频率:fsw

期望效率:η

输入功率:Pi(=Po/η)

假设为单位功因数，则

其中Ton、Toff为开关M1的开通、关断时间;ILpk为电感电流的最大值，即

将上述的关系式，用Ton和Toff表示，经过代数运算，可以算出在一周期内的实时切换频率为

fsw最小值发生于输入电压顶端时(θ=90°)，最大值发生于输入电压零交越时(θ=0°)。最小系统切换频率可能发生于最大或最小线电压。则电感值定义如下，

式中的Virms可以为Virms(min)或Virms(max)，不论何者都给电感较小的值。最小的切换频率建议为15 kHz，以不干扰内部启动器。

1.3 反激变换电路设计

当输入交流较低时，反激变换器的输入电压就是升压电路的输出电压，为直流140V。当输入交流电压较高时(实验中设置值约为大于交流90 V)，反激电路单独工作，因此设置反激电路的输入条件为交流90 V～265 V，这样在交流输入25 V～365 V时，反激电路都能正常工作。输出为两路，分别为12V/1A和5V/1A。反激电路采用PI公司的第四代单片开关电源TOPSwitch-GX系列芯片，其最大输出功率已扩展到290W。由于将高压功率MOSFET、PWM控制、故障保护和其它控制电路高性价比地集成在单片CMOS芯片上，再加上其可在启动时消除过冲、降低元件应力的软起动、小EMI频率抖动、欠压保护和过压关断、可编程限流和独有的轻载自动降频等技术，该芯片可大大简化电路设计，缩短设计周期。［7～10］

基于TOPSwitch-GX的反激电路原理图如图3所示，其中输入电压接V1还是V2决定于继电器的状态。电路参数设计可以采用PI公司提供的软件PI-Expert来实现。

图3 反激电路原理图

1.4 迟滞比较器设计

当电压刚好等于设计的切换电压时，为了防止继电器频繁动作，这里采用迟滞比较器。电路原理图如图4所示，图中只画了一个继电器。

图4 迟滞比较器及继电器控制原理图

图4中，比较器采用单电源Vcc供电，和稳压管的供电电压公用。稳压管的击穿电压为Vz。Vin的电压是图1中V1电压再经过滤波后取得的直流量，经过两个电阻R3和R4分压后，得到电压V－作为比较器的反向端输入电压。根据迟滞比较器的原理，理论上，当

时［11］，输出电压Vo跳变到低电平，此时表示整个系统的输入交流电压VAC比较大，控制继电器处于常闭状态，只有反激电路参与工作，电路工作在模式Ⅱ。

时［11］，输出电压Vo跳变到高电平，此时表示整个系统的输入交流电压VAC比较小，控制继电器处于常开状态，输入电压先经过升压再送给反激电路，电路工作在模式Ⅰ。

通过合理得选择对Vin的分压电阻以及 R1和R2的阻值，可以确定一个比较合理的继电器切换时机和迟滞范围。图5为实际测试的迟滞比较器电路波形。图中VH为迟滞比较器的上门限电压，VL为下门限电压。

图5 迟滞比较器输入输出波形

2 实验结果

根据上述理论，对本系统进行了实验验证，主要实验参数如下:升压电路变压器T1采用EE28骨架，原边23匝，副边8匝，原边电感约200uH，MOS管M1采用 IRF840，二极管 D1采用 MUR860。反激电路采用TOP244Y，变压器骨架EE25，原边78匝，原边电感约85uH，12V输出端9匝，5V输出端4匝，控制回路输出端9匝。

图6和图7分别为输入交流电压VAC等于25V和90V时的输入电压电流波形，因为这个时候升压电路是工作的，所以输入电流接近正弦，电路兼具PFC的功能。

当升压电路和反激电路一起工作时，由于反激电路输入直流电压一直为恒定的140V左右，所以TOPSwitch内部MOS管漏源极电压波形也恒定，如图8所示。当只有反激电路工作时，反激电路输入电压随着输入交流电压的上升而上升，因此对应漏源极电压波形也会发生改变，图9为输入交流电压250V左右时的波形。

对于不同的输入交流电压VAC，实际输出电压测试数据如表2所示，可以看出，在一个实验设定的输入范围内，输出电压一直保持比较稳定。

表2 输出电压数据(单位:V)

3 结论

本文提出了一种超宽范围输入的开关电源的设计方法，即采用升压电路和反激电路串联，并用迟滞比较器来控制两个电路的工作状态，并进行了实验验证。结果表明，电路具有良好的特性。本电路有如下特点:

(1)交流输入范围特别宽，实验验证达到了25 V～265 V，从而可以在一些要求特别高的场合应用;

(2)在低压输入时兼具PFC的功能。

［1］ 占江山，王震，王军，等.一种超宽范围电压输入的加固型多路稳压电源研究［J］.船舶电子工程.2007，27(2):173－175.

［2］ 薛明岐，沈雷明.超宽范围输入的开关电源电路设［J］.电源技术应用.2009，12(10):26 ～30.

［3］ 滕妨华，张仲超.高功率因数低空载损耗AC/DC电源的研究［J］.电源技术应用.2003，6(3):92－94.

［4］ 王志鹏，陶生桂，汤春华.基于L6561的电流准连续模式APFC电源设计［J］.通信电源技术，2004，21(4):9－15.

［5］ HWU K I，YAU Y T.Development of a high-PF two-phase flyback converter based on chasing［C］.3rd IEEE conference on ICIEA，2008:885－890.

［6］ HWU K I，WU CH，CHUANG C F.Development of AC-DC converter for laboratory power amplifier［C］.International conference on PEDS，2009:1534－1541.

［7］ 郭金明，王念春，余振中，等.新型TOPSwitch_GX系列电源的PI设计［J］.电子元器件应用，2007，9(1):49－51.

［8］ 11Raoji Patel，Glenn Fritz.Swtiching Power Supply Design Review-60 Watt Flyback Regulator［R］.TI Application Report，SLUPS058，1999.

［9］ GAIBROIS G L，SPARKS W W.New Automatic Pole Top Switch Sensor Replaces Potential Dividers［J］.Power Engineering Review，IEEE，Issue:12，59－59.

［10］ YANG Li，Chen Ying，Xiao Qianhua.A Small Power Switching Mode Power Supply Based on TOP Switch［C］.International Joint Conference on Artificial Intelligence，2009:298－300.

［11］ 孙肖子.模拟电子技术基础［M］.陕西:西安电子科技大学出版社，2009:82－86.