低空轻载损耗的高可靠性开关电源设计

于 广，罗礼全，吴 桐，刘 馨

（大连东软信息学院智能与电子工程学院，辽宁大连 116023）

直流电源是各种电子仪器设备中重要的组成部分，其性能优劣是仪器设备能否正常工作的前提[1]。目前，常用的直流电源分线性电源和开关电源，因开关电源的开关管工作在高频开关状态，其开关管导通时有电流没电压，关闭时有电压没有电流，所以可大大降低开关管导通损耗，同时又因其工作在高频状态，可有效降低储能元件的体积，故高频化是直流电源高效、轻小型化的一个重要技术发展趋势，但高频化将增大开关损耗，从而增大空载损耗，降低轻载效率[2]。同时，因电子仪器设备在待机或休眠模式时，自身的能耗很小，一般只有0.5 W 左右，故以前没有引起使用者足够的重视，但在电子产品全面普及化的今天，该工作模式几乎占据各种电子仪器设备寿命时间的一半，故所产生的能耗总和也相当惊人，通常占到总损耗的25%左右[3]。随着全球监管机构对节能问题的持续关注，各种节能标准和条约也相继被制定出来，降低待机功耗和提高效率已成为众多倡议的一项关键要素，具有重要意义[4-5]。

1 设计方案

1.1 样机规格

1）输入交流电压：90～264 V；

2）输出直流电压：(+19.5±5%)V；

3）输出功率：45 W；

4)输出电流：0～2.3 A；

5)样机尺寸：9 cm×5 cm×2 cm；

6）待机损耗满足能源之星标准，即：空载时输入功率小于0.5 W，当输出0.5 W 时，输入功率小于1 W。

1.2 设计方案

反激拓扑因其良好输出特性和简单的拓扑结构、成本低廉，现已成为中小功率开关电源的理想拓扑[6-8]。文中的高效率紧凑型开关电源由主电路和控制电路两大部分组成，主电路采用反激（Flyback）拓扑实现DC/DC 变换。考虑高效率和高功率密度的规格需求，反激主电路工作在电流连续模式(Continuous Conduction Mode，CCM），主控制器选用100 kHz 开关频率的仙童半导体的集成绿色PWM 控制芯片SG6742[9-10]。设计电源的实现方案如图1 所示，电源输入端接入熔断器进行电路故障保护，通过EMI 滤波电路来消除对所接输入电源的传导干扰，利用整流桥实现AC/DC 变换。DC/DC 变换采用反激拓扑实现功率转换电压输出和输入输出隔离，通过输出电容进行滤波，为负载提供稳定的直流输出[11]。反馈电路通过光耦返回到输入端，通过锁存（Latch）电路作用驱动芯片封锁开关管驱动脉冲，实现电路的过压保护（Over Voltage Protection，OVP）、过流保护（Over Current Protection，OCP）、过热过温保护（Over Temperature Protection，OTP）的锁存保护。

图1 设计方案框图

2 控制电路设计

文中开关电源核心控制器采用高集成PWM 控制芯片（Fairchild 公司的SG6742HR），芯片控制功率MOSFET 完成功率变换，并依据输出采样的反馈信号来调整占空比，从而实时调节电源输出电压，为负载高效分配能量，可有效增强反激转换器的性能，满足相关节能标准和对电路进行监控保护，因此该控制器受到致力于节约环保、追求于满足最新绿色功耗标准的工程师们所青睐。

2.1 反馈电路和PWM控制环路设计

反馈电路采用精密可控稳压源AS431 和光耦SFH690CT 配合控制芯片SG6742 构成反馈回路，实现了输入/输出的完全隔离和反馈，调整参数构成稳定的控制环路（Loop）来保持在负载变化下输出电压的稳定输出[12-13]，如图2 所示。输出电压经过电阻分压和AS431的参考电压进行比较，输出给光偶，反馈给PWM 控制芯片反馈电压管脚。

图2 反馈控制环路电路图

R104和R105与R106构成了一个分压电路，用于输出电压调节。R107和C104与C105构成一个PI 调节器进行环路补偿调节[14]。可控精密稳压源AS431的参考端输入电流最大值为4 μA，为使输入电压控制可以忽略此电流带来的影响，可取分压电阻电流为参考端输入电流的100 倍，从而计算出输出分压电阻1的最大值为：

故可设反馈分压电阻R1=5.75 kΩ，从而可选R105=R106=11.5 kΩ。依据输出电压标准值，可以计算分压电阻R2为：

故可取R2=39.2 kΩ，根据反馈电路计算出电源调节稳定的输出电压为：

2.2 斜坡补偿

反激电路工作在连续电流模式时，当占空比超过50%时，将发生次谐波震荡，导致电路不稳定。因此当占空比大于50%时，需采用斜坡补偿的方法来防止次谐波震荡的发生。在PWM 控制芯片已经内嵌斜坡补偿的基础上，通过分压电阻将VCC电压变化引入到采用电阻的采样电压上，从而进行斜坡补偿，如图3所示。

图3 斜坡补偿电路

同时，芯片专有的内置同步斜率补偿可确保宽交流输入电压范围从90 V 到264 V 内的恒定输出功率限制，可实现稳定的峰值电流模式控制。

3 电路的降低待机功耗设计

3.1 辅助电源供电电路设计

当输入AC 电源被施加到文中电源时，被桥式整流桥整流后的高压直流通过启动电阻连接到控制芯片启动管脚。当电压达到启动电压阈值时，PWM 控制芯片被启动，开始正常驱动，反激变换器工作，如图4 所示。

图4 辅助绕组供电控制芯片电路

当变压器原边辅助绕组稳定输出后，辅助绕组电源供电PWM 控制芯片，高压启动电路被关断，由辅助电源低压供电，该方案有效降低了控制芯片的工作损耗。

3.2 开关管驱动电路设计

驱动开关管时加入驱动电阻可减慢MOS 管导通的速度，以免出现过驱动情况，同时可有效地解决电磁兼容中的辐射问题。关断开关管时，要通过加速截止来降低开关损耗，这就需要在开关管关断时，驱动电路有一个低阻抗通路来快速泄放开关管栅源极间的电容电量，使开关管能够快速关断来降低MOS 管的关断损耗[15]，如图5 所示。

图5 MOSFET门极驱动电路

驱动开关管时，驱动信号为高电平，二极管导通、三极管截止，驱动开关管工作；关闭开关管时，驱动信号为低电平，二极管截止、三极管导通，使栅源极间电容电压快速泄放，开关管快速关断，从而降低开关管关断损耗。

3.3 降频及间歇（Burst Mode）工作模式

有效地降低开关损耗需PWM 控制芯片在空载和轻载时能够进行降频处理。控制芯片SG6742 采用反馈电压(VFB)作为输出负载的量度，并调制PWM的频率，开关频率随着负载的降低而降低。当下降至2.3 V 时，开关频率就会固定为22 kHz，以免引起可听见噪声。如果VFB下降至低于2.0 V，则驱动恢复，进入Burst Mode 工作模式，可有效降低待机模式下的开关损耗。

4 全面保护的高可靠性电路设计

PWM 控制芯片SG6742HL/HR 提供多种保护功能，通过逐周期限流，实现过功率（OPP)、过电流（OCP)和开路（OLP)保护，触发保护后PWM 输出禁用，直到VDD 降至10.5 V，PWM 控制器才可再次启动，全面的保护电路[16]如图6 所示。

图6 保护电路

4.1 过压保护（OVP）

因反激变压器的原边辅助绕组与提供反激电源输出电压的副边绕组相同，都耦合于变压器的原边绕组，故可以通过变压器原边辅助绕组电压VDD来度量副边绕组电压，即反激电源的输出电压，所以可以通过VDD过压锁定来实现过压保护。为了实现精准过压保护点，文中电源设计由稳压管ZD3 和晶体三极管Q3 做成的开关控制电路，通过PWM 控制芯片RT 管脚来实现过压保护。当输出过电压时，VDD电压同步升高，将触发三极管饱和导通，通过控制芯片RT 管脚触发保护，锁定驱动，保护精准且速度快[17]。

4.2 过载（OPP）/过流（OCP）和开环保护(OLP)

PWM 控制芯片SG6742的Sense 管脚，通过检测采样电阻（R10//R11/R12）的电压信号，对开关管电流进行逐开关周期的调节控制，若检测电压超过1 V，则会触发过载（OPP）保护，从而有效限制输出功率。

4.3 过温保护（OTP）

热敏电阻连接至PWM 控制芯片RT 引脚进行过温保护，RT 管脚流出100 μA 电流，通过热敏电阻(NTC31)与电阻R15串联连于RT 引脚和GND 引脚，便可实现过温保护。

5 实验结果

5.1 高低压输入时输出电压纹波

文中电源在高低压输入时，测试输出电压纹波如表1 所示，纹波电压峰峰值小于200 mV。

表1 高低压输入时输出电压纹波

5.2 空载和轻载输入功率

经测试，空载和轻载输入功率如表2 所示，空载时输入功率小于0.5 W，电源输出带载0.5 W 时，输入功率小于1 W；电源输出带载1 W 时，输入功率小于1.5 W，满足能源之星节能（Energy Saving）要求。

5.3 高低压输入时平均效率

实验样机经测试，平均效率大于86%，1/4 载效率大于87%，如表3 所示。

表3 高低压输入时效率

6 结论

文中提出降低空载和轻载损耗电路的设计方案，设计一款低损耗开关电源。样机实验结果表明，高低压输入时平均效率达87%，空载满足输入功率小于0.5 W，电源输出带载0.5 W 时，满足输入功率小于1 W，具有体积小、效率高、功率密度大、空轻载损耗低的优点，满足能源之星节能（Energy Saving）标准。