一款實(shí)用模塊化驅(qū)動(dòng)電源的研究與制作

張宏偉

（河北科技大學(xué)，河北石家莊，050018）

調(diào)音臺作為音響系統(tǒng)的重要組成部分，其驅(qū)動(dòng)電源基本要求是輸出電壓穩(wěn)定，輸出電流紋波小。作者結(jié)合多年使用經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)課教學(xué)實(shí)踐，制作了一款18V、100W 的模塊化調(diào)音臺驅(qū)動(dòng)電源樣機(jī)，使用靈活方便，效果良好，滿足了在不同場合下的需要。

1 調(diào)音臺驅(qū)動(dòng)電源結(jié)構(gòu)

該驅(qū)動(dòng)電源主體電路采取五級架構(gòu)，保障調(diào)音臺的穩(wěn)定可靠供電。第一級采用EMI 濾波電路，其功能是起雙向?yàn)V波；第二級是橋式整流電路，其功能是將交流電整流成直流電；第三級采用PFC 電路，其目的是為后一級電路提供穩(wěn)定的輸出電壓，同時(shí)對本級電路進(jìn)行功率因數(shù)的補(bǔ)償和校正；第四級是LLC 諧振半橋變換器，主要任務(wù)是完成前后兩級電路的隔離和降壓恒壓作用，該變換器還具有較高的轉(zhuǎn)換效率；第五級為濾波電路，目的是進(jìn)一步減小輸出電流的波動(dòng)程度，使其工作在最佳的狀態(tài)。見圖1 所示。

圖1

2 驅(qū)動(dòng)電源的電路設(shè)計(jì)

■2.1 EMI 濾波電路設(shè)計(jì)

此電路應(yīng)具備以下功能：

（1）雙向?yàn)V波功能：無論是從電網(wǎng)到電源，還是自電源向電網(wǎng)，都具有濾除高次諧波的功能；

（2）對從電網(wǎng)側(cè)傳遞過來的共模干擾信號和差模干擾信號都具有較強(qiáng)的抑制效果。

為實(shí)現(xiàn)上述功能，選擇如圖2所示的高頻增強(qiáng)型EMI濾波結(jié)構(gòu)[1]。R1和R2為差模電容泄放電阻，它與芯片CAPZero 共同作用后實(shí)現(xiàn)的功能是當(dāng)接通交流電源后，可阻斷差模電容CX1通過泄放電阻R1和R2中的充電電流，將接通電源后的功率損耗降到最小，而在交流電源斷電后差模電容CX1通過泄放電阻R1和R2放電，使其兩端電壓為零，避免用戶接觸到插頭時(shí)觸電，電路中設(shè)置壓敏電阻RV1其目的是用來吸收電源側(cè)輸入的交流浪涌電壓。T1 和T2 的作用主要是抑制共模干擾信號，CX1和CX2的主要作用是抑制差模干擾信號，CY1和CY2對于高頻信號相當(dāng)于短路，可以旁路掉共模噪聲。

圖2

■2.2 單相橋式整流電路設(shè)計(jì)

該電路的作用是將交流電整流成直流電，其電路結(jié)構(gòu)較簡單，不再累述。

■2.3 功率因數(shù)校正（PFC）電路設(shè)計(jì)

目前的PFC 有兩種，無源PFC 和有源PFC。

無源PFC 電路其成本低，結(jié)構(gòu)簡單、可靠性能好，缺點(diǎn)是功率因數(shù)只能達(dá)到0.7～0.8，電源體積大，成本增加，使用場合上受到了很大的限制。而有源PFC 電路由于體積小、通過專用集成電路（IC）去調(diào)整電流的波形，其功率因數(shù)可達(dá)0.9 以上，輸出直流電壓很平穩(wěn)，輸出紋波很小，諧波含量較低，失真較小，輸出功率較大，其缺點(diǎn)是制造成本也相對較高。其電路如圖3 所示。

圖3

電路的基本工作原理如下：

從電網(wǎng)輸入的交流電壓經(jīng)由四個(gè)二極管組成的橋式整流電路整流后，得到一直流脈動(dòng)電壓作為PFC 電路的輸入電壓，經(jīng)C1濾掉高頻干擾信號，再經(jīng)R8、R9、R16進(jìn)行分壓后，得到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的正弦半波電壓，作為采樣電壓加在功率因數(shù)校正器芯片L6562 的輸入腳3上，以此來確定該電路的電壓波形和相位[2]。電路中電容C8的作用是濾掉L6562的3 腳上的高頻干擾信號，R3、R5為啟動(dòng)電阻直接接到芯片L6562 的電源腳8 上，R3、R5的阻值要適當(dāng)，即不能太大，也不能太小，阻值太小可能會(huì)使加在芯片上的電壓太高而燒壞芯片，阻值太大由于加在芯片上的電壓太低可能會(huì)使芯片不能啟動(dòng)工作。當(dāng)芯片正常啟動(dòng)之后，由D3、D4、C3、R6以及升壓電感的副邊組成L6562 的供電電源。通過電阻R15將升壓電感線圈T3 的副邊繞組接到芯片L6562 的零電流檢測引腳5 腳上，當(dāng)檢測到電感電流為零時(shí)，芯片L6562 的7 腳輸出一觸發(fā)信號經(jīng)電阻R11 加在開關(guān)管Q1 的柵極上使之導(dǎo)通。R4、R7、R12、R13組成分壓電路，將Vout（395V）電壓分壓后，得到一個(gè)VFB2.5（2.5V）的參考電壓輸入到芯片L6562 的1、2 腳，構(gòu)成電壓負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，用于穩(wěn)定輸出電壓。

■2.4 變換器設(shè)計(jì)

作為變換器，其功能是對前后兩級電路進(jìn)行隔離，同時(shí)變換本級的電流、電壓。本設(shè)計(jì)采用LLC 半橋諧振變換器[3]，理由如下：第一、電路中對開關(guān)管的開關(guān)頻率要求不高，且頻率變化范圍小，便于控制，第二、開關(guān)管可以實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)控制，能夠?qū)㈤_關(guān)損耗降到了最低，因而其轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到最高；第三、在電路結(jié)構(gòu)上采用LLC 半橋諧振變換器可與前級電路進(jìn)行良好的銜接。在實(shí)際中LLC 諧振半橋的整體電路圖如圖4 所示。

圖4

圖中芯片L6599 是專為LLC 諧振半橋拓?fù)潆娐范_發(fā)的雙端控制器，其內(nèi)部含有一個(gè)高精度振蕩器，其工作頻率高達(dá)500kHz，能夠完全滿足諧振變換器對開關(guān)頻率的要求。它的高（15 腳)、低(11 腳)端門極在輸出高、低驅(qū)動(dòng)信號時(shí)有一個(gè)固定的間歇時(shí)間，這樣在驅(qū)動(dòng)LLC 半橋諧振電路的上下兩個(gè)開關(guān)管Q1、Q2 時(shí)，可以有效的避免它們同時(shí)導(dǎo)通而造成橋路短接燒毀開關(guān)管，提高了電路的安全性和可靠性[4]。

在圖4 中前級PFC 輸出電壓經(jīng)R2、R4、R5、R7分壓后，得到大約1.7V 的采樣電壓送到芯片L6599 的7 腳上，其目的是對電路進(jìn)行欠壓保護(hù)[5]，當(dāng)芯片L6599 的7 腳上的電壓低于1.25V時(shí)，芯片不工作，當(dāng)7 腳上的電壓在1.25～6V范圍時(shí)，芯片正常工作，LLC 諧振半橋電路正常工作。

在芯片L6599 通電后，電容 9C在其1 腳的作用下被充電，此時(shí)相當(dāng)于電阻R11、R12的另一端對地短路，此時(shí)4腳外接電阻變小，電路的振蕩頻率升高；當(dāng)電容 9C充滿電后，對地相當(dāng)于斷路，電阻R11、R12的另一端處于懸空狀態(tài)，電阻變大，振蕩頻率降低，電源輸出正常電壓，實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，芯片正常工作，在忽略高（15 腳)、低(11 腳)端驅(qū)動(dòng)信號具有的間歇時(shí)間的情況下，引腳15 端和引腳11 端輸出互補(bǔ)對稱占空比各為0.5 的門極驅(qū)動(dòng)信號給LLC 諧振半橋的上下兩個(gè)開關(guān)管Q1、Q3，使其交替工作。

Q1、Q3 為LLC 半橋電路主體部分，在L6599 的控制下而交替工作，輸出方波電壓經(jīng)變壓器送給同步整流電路。

同步整流電路的控制器采用智能芯片TEA1795T。MOS管Qsec1或Qsec2的柵極分別接TEA1795T 的3 腳或6 腳，在沒有驅(qū)動(dòng)信號時(shí)，芯片TAE1795T 不具有同步整流功能；芯片TAE1795T 的1 腳、4 腳和5 腳、8 腳通過電阻R16 或電阻R17 分別檢測Qsec1、Qsec2的漏極與源極之間的電壓，若其中一個(gè)漏極與源極之間的電壓低于芯片TAE1795T 內(nèi)部的基準(zhǔn)值-220mV時(shí)，相應(yīng)的MOS 管柵極連接的引腳3 腳（或5 腳）就會(huì)發(fā)出相應(yīng)電平的驅(qū)動(dòng)信號，使相應(yīng)的MOS 管（Qsec1或Qsec2）導(dǎo)通。當(dāng)變壓器TA1 輸出正半周時(shí)Qsec1導(dǎo)通，Qsec2截止；當(dāng)變壓器TA1 輸出負(fù)半周時(shí) Qsec2導(dǎo)通，Qsec1截止。在芯片TAE1795T 的驅(qū)動(dòng)下，兩個(gè)MOS 管交替導(dǎo)通就可實(shí)現(xiàn)同步整流[6]。

3 實(shí)驗(yàn)

制作的18V、100W 電源樣機(jī)如圖5 所示。

圖5

■3.1 負(fù)載變化時(shí)恒壓測試

當(dāng)輸入交流220V 電壓時(shí)，負(fù)載側(cè)接一可調(diào)電阻，調(diào)節(jié)可調(diào)電阻，使輸出電流發(fā)生變化，輸出電壓如表1 所示。

表1 輸出電壓的測量值

■3.2 電源電壓變化時(shí)恒壓測試

負(fù)載側(cè)接4.5Ω 的固定電阻，當(dāng)輸入交流電壓變化時(shí)，輸出電壓如表2 所示。

表2 輸出電壓的測量值

■3.3 電流紋波測量

當(dāng)輸入電壓為交流220V，在電源輸出端連接一個(gè)可調(diào)電位器，當(dāng)調(diào)節(jié)電位器時(shí)，輸出電流如圖表3 所示。

表3 輸出電流的測量值

分析以上數(shù)據(jù)可知;最大誤差為2.78%（此時(shí)功率已超過100W），可見輸出電流中的交流成分是比較小的。

4 結(jié)論

由以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，主要由PFC 電路、LLC 諧振半橋變換器所組成的這款模塊化驅(qū)動(dòng)電源樣機(jī)，無論是輸出電壓，還是輸出電流基本上都達(dá)到了預(yù)期的效果。