兩級式開關電源適配器方案研發之PFC設計

筆記本電腦的開關電源適配器新產品研發工作，是目前國內電子工程師們的主要研發方向之一，也是應用新技術速度最快的研發領域之一，新產品的更新速度非常快。在今天和明天的干貨分享中，我們將會為各位工程師們分享一種新穎的兩級式筆記本電腦開關電源適配器設計方案，希望通過本文的分享，為大家的研發工作帶來一定幫助。

設計原理

在本文所提出的開關電源適配器設計方案中，我們采用的是比較新穎的兩級式設計思路，適配器的前級功率因數校正采用Boost變換器，這樣的選擇能夠有效提高低輸入電壓時的變換效率，其PFC級采用變輸出電壓的方法，其輸出電壓跟隨輸入電壓變化。而后級DC-DC變換器則選擇采用兩路反激變換器交錯并聯，通過這一方式能夠減小其輸入和輸出電流紋波，同時采用同步整流技術，以進一步提高變換效率。

(a)主功率電路圖

(b)Boost變換器電感電流臨界連續模式主要波形圖

圖1

PFC級工作原理

上圖中，圖1分別給出了我們所設計的這一開關電源適配器的主功率電路圖，以及Boost變換器電感電流臨界連續模式下的主要波形圖。其中，圖1(a)為提出的新型兩級式變換器的主功率電路圖。從圖1(a)中可以看到，該方案中，Boost變換器采用電感電流臨界連續模式的控制方式，這種控制方式的優點是二極管零電流關斷沒有反向恢復的問題，同時具有功率因數高的優勢，且原邊開關管能夠保持零電流開通。

在PFC級的設計中，我們所采用的Boost變換器處于電感電流臨界連續模式下工作時，其主要波形如上圖中的圖1(b)所示。在一個開關周期內，當電感電流iLB為零時，則二極管DB關斷，此時開通開關管SB，iLB由零開始線性增加。當它達到整流橋輸出母線的電壓采樣信號時，關斷SB，DB開通，iLB由最大值線性下降到零。在輸入電壓的1/2周期內，由多個開關周期組成。在每個開關周期內，iLB的平均值跟隨整流橋輸出電壓，因此iLB的平均值跟蹤整流橋輸出電壓波形，由此實現PFC的功能。

在圖1所設計的這一主功率電路圖中，當輸出功率相同時，輸入電壓低，相應的輸入電流有效值較大。而當低輸入電壓時，Boost變換器的主要損耗是整流橋的導通損耗和開關管的導通損耗。根據Boost變換器的電壓輸入輸出關系Vo=Vin/(1-D)可知，當輸入電壓固定時，輸出電壓越低，占空比越小，因此開關管導通損耗越小。為了提高輸入電壓低時的效率，我們可以將輸出電壓降低。因此，針對PFC級輸入電壓范圍寬(90-265Vac)的特點，采用變輸出電壓的控制方式，在該控制方式下，輸入電壓與輸出電壓的關系如下圖圖2(a)所示。

(a)

(b)

圖2 PFC級Uin與Uopfc的關系及其控制電路圖

在了解了Boost變換器處于變輸出電壓的控制方式下輸入電壓與輸出電壓的關系后，上圖中，圖2(b)給出的是在這一開關電源適配器設計方案中，Boost變換器輸出電壓跟隨輸入電壓線性變化的控制電路圖。從圖2(b)中可以看出，在電壓閉環中引入輸入電壓有效值作為前饋量，采樣信號取反后與輸出電壓的采樣信號取和，接到PI調節器的反向輸入端。在這一控制電路系統中，PI調節器的輸出接到乘法器的輸入端，與整流橋輸出電壓的采樣相乘后作為電流環的給定，以此來控制電感電流的幅值。當輸入電壓變化時，輸出電壓也隨之變化。