高效率开关电源的研制

高效率开关电源的研制

全球能源价格的不断上涨，使得各行各业不得不认真考虑节能的问题。在各种节能方法中，提高开关电源的效率是一个重要手段，美国自提出80PLUS计划后又推出85PLUS、88PLUS计划，并且在短期内实施。因此，尽可能提高开关电源的效率是电源行业不断追求的目标。
要想提高开关电源效率，首先要清楚影响开关电源的因素。一般来说，反激式及其衍生电路的效率最低，多极变换电路拓扑的效率低于单级变换。因此，在应用中应尽可能不采用上述电路拓扑。
对于正激式功率变换来说，占空比越大相对效率就越高，因此在实际设计中应选择尽可能大的占空比，如果占空比接近1则是最理想的。
输入电压变化范围大的开关电源要比输入电压变化范围小的效率低。避免输入电压大范围变化或尽可能的避免不必要的输入电压变化裕量是提高开关电源效率的最简单方法之一。
随着开关频率得越来越高，开关损耗已经是不可忽视的因素。简单的RCD缓冲电路方式是影响效率的重要因素。因此采用软开关、零电压开关可以有效地消除开关损耗。
应用400～700V电压等级的MOSFET，导通损耗可能占总损耗的三分之二。因此设法减小MOSFET的导通电阻可以有效地降低MOSFET的损耗。

工作原理简述
由于PFC具有稳压功能，在输出电压稳定度不是很高的应用中，隔离变换可以不采用常规的PWM控制方式，而采用“100%”占空比的非PWM控制方式，这样就可以将效率提高2%甚至更多。输出电压的稳定可以由PFC环节的稳压功能完成，其原理框图如图1所示。

图1  采用PFC+非稳压隔离变换器组合的原理框图

这样就能将非稳压隔离变换器看成PFC的一部分，而PFC则变成隔离型PFC。由于隔离型PFC具有隔离功能、电压关闭功能和稳压功能，就使其成为真正意义上的隔离型开关稳压电源。
采用非PWM工作方式所得到的最大占空比可以使全桥电路中的开关管在“零电压”下导通，即实现“零电压开关”。这样能提高电路工作的可靠性，进一步减小损耗，提高效率。

IRS2453功能简介
IRS2453自振全桥变换器是美国国际整流器公司在自振高压桥式驱动器IR2153的基础上发展起来的。
IRS2453自振全桥驱动器具有较高的工作电压（600V），内部有一个类似于555定时器的频率可设置的振荡器，全桥栅极驱动可保证其精确的死区时间。在此芯片内部，包含MOSFET组成的全桥电路。这样的构造，一方面节省了外部器件，降低了成本；另一方面，节省了空间，使整个电源的体积缩小。更重要的是，在芯片内部，开关管工作的占空比固定。在该全桥电路前端结构中，各开关管的占空比可接近50%，这使得全桥电路中开关管的占空比可达到95%，甚至更高。而通常情况下，开关管的最大占空比小于80%。这样，全桥电路中开关管的占空比上升，导通损耗下降。而且，本设计属不调节脉宽形式，效率得到了很大程度的提高。IRS2453自振全桥驱动器原理框图如图2所示。

图2  IRS2453的原理框图

完整电路分析与电路设计要点
整个电源的完整电路原理图及详细参数如图3所示。整个电路由采用MC33368构成的PFC电路单元与用IRS2453构成的非稳压隔离型变换器组合而成。

图3  采用PFC+非稳压隔离变换器组合的电路原理图

之所以选用IRS2453作为非稳压隔离型变换器的控制芯片，主要是因为非稳压隔离型变换器不需要PWM功能，但是需要时钟来获得所需要的输出脉冲，这就是IRS2453自身带有振荡器的原因。IRS2453自身具有全桥驱动能，其二桥式变换器需要高、低边驱动，全桥则需要两路高端驱动电路。由于IRS2453具有上述功能，用来作为非稳压隔离型变换器的驱动控制芯片是最佳的。
由于选择大占空比的工作状态，在常规条件下缠绕的变压器在此时的效率达到最高。

测试结果
从电路图上可以看出，在本设计中，市电经过功率因数校正电路后，即得到了稳定的直流输出电压，这样就省略了电路的稳压调节过程，在一定程度上提高了电源的效率；另外，IRS2453自振全桥变换器的输出占空比是一定的，不需要进行脉宽调节，这使得电源效率在原有基础上又得到了进一步的提高。产品的详细参数如下：
● 体积：100mm×60mm×40mm
● 开关管漏/源电压测试（见图4）

图4 开关管的源漏极电压波形
● 满负载下输出纹波电压测试（见图5）

图5 中等负载下的输出纹波电压
● 输入电流与谐波分析（见图6）

图6 输入电流与谐波分析

整机效率测试的结果如表1所示。

从上述分析可以看到，采用本文的技术方案可以容易得提升开关电源的高效率，电源的功率因数计高次谐波参数完全可以满足要求。

结语
本设计是一种简单的利用IRS2453芯片实现的高效率功率变换器，成本低、体积小。经测试、计算得，本整机的效率为89.5%。其输出24V直流电压，具有广泛的应用价值。如果仔细雕凿可以使效率在25~100%负载条件下超过90%，成为真正的高效率开关电源。