高功率因數低空載損耗AC/DC電源的研究

摘要：介紹了一種寬輸入、低空載損耗的90WAC/DC電源。電路由兩級組成：以L6561為核心的功率因數校正（PFC）；以L5991A為核心的DC/DC反激變換器。它的主要優點是輕載時通過L5991A的變頻功能降低開關工作頻率，減小開關損耗，并通過外部電路的設計關掉L6561的PFC功能，從而達到輕載時減少電路的功率損耗的目的。實驗表明在空載時，整個電路的輸入功率小于1W。

關鍵詞：空載損耗；反激變換器；功率因數校正

Stady on AC/DC Converter with Low Stand-by Loss and High Power Factor

TENG Fang-hua, ZHANG Zhong-chao?

Abstract:A 90 W low stand-by loss AC/DC converter with universal input voltage is introduced.The converter consists of two-stages approach: a front-end PFC pre-regulator based on L6561 PFC controller and back-end DC/DC converter in flyback topology based on L5991A PWM controller. The stand? by function of the L5991A, which reduces the switching frequency of the DC/DC converter at light load, is also used to turn off the PFC stage to meet the needs of the severe no-load consumption. Experiment results show that the total no-load input power is less than 1W.?

Keywords:Stand-by loss; Flyback converter; PFC?

中圖分類號：TN86? 文獻標識碼：A? 文章編號：0219－2713(2003)03－0092－03

1? 引言

??? 許多電器設備在沒有工作時仍然帶電，從AC插頭接通的一刻起，他們就在不停地消耗電力，這就產生了“待機損耗”問題。一臺電器的待機損耗一般只有幾W，但大量電器的待機損耗總和就是一個不容忽略的數字。

??? 另外，在輕載時減少電路的功耗已經成為當今電力電子技術發展的一個方向。本文采用的L5991A是ST公司最新的節能控制芯片。在輕載時，通過關斷PFC功能，降低開關工作頻率，以減少電路的損耗，這種設計可使輕載損耗在1W以內。

2? 基本工作原理

??? 電路的總體框圖如圖1所示。為了減小輸入電流的諧波，提高輸入功率因數（PF），電路中采用了以L6561為控制芯片的功率因數校正(PFC)環節。PFC電路在88～265V的輸入電壓范圍內，輸出端都可以得到400V左右的穩定電壓。

圖1? 電 路 總 體 框 圖

??? 輕載變頻控制原理圖，如圖2所示。L5991A芯片采用電流控制模式，電壓檢測端（腳6）的值Vcomp正比于開關的峰值電流，能量通過變壓器傳輸，這樣就可以通過檢測Vcomp的值來確定負載的狀況。如果負載變輕使得輸出功率變小（電壓不變），則開關的峰值電流隨之減小，Vcomp的值減小到某個門坎電壓VT1時，通過芯片內部功能（高頻時芯片腳16處于高電平，與腳4導通，腳2與腳4之間的諧振電阻為RA、VB并聯 ； 低 頻 時 芯 片 腳16處 于 低 電 平 ， 與 腳4斷 開 ， 諧 振 電 阻 變 成RA） ， 使 開 關 頻 率 由fosc下 降 到fSB； 如 果 負 載 加 重 ， 輸 出 功 率 增 大 ， 則 開 關 的 峰 值 電 流 隨 之 加 大 ，Vcomp上 升 到 另 一 門 坎 電 壓VT2時 ， 通 過 內 部 功 能 開 關 頻 率 就 會 上 升 到fosc。 在 負 載 正 常 和 輕 載 時L5991A都 能 正 常 工 作 ，VT1和VT2可 以 內 部 確 定 或 者 通 過 外 部 附 加 電 路 確 定 ，fosc和fSB可 以 根 據 實 際 需 要 ， 設 計 恰 當 的 電 路 參 數 確 定 。

圖2? 輕載變頻控制原理圖

??? 滿載工作時，由于腳16高電平，Q1斷開，Q2導通，Q3關斷（見圖3），連接L6561零電流檢測端的電壓端為高電平，L6561正常工作；輕載時由于腳16低電平(與腳2一起諧振)，Q1導通，Q2關斷，Q3導通，連接L6561零電流檢測端的電壓端為低電平，L6561停止工作。這樣就充分減少了待機損耗（輕載損耗）。

圖 3? 電 源 適 配 器 主 電 路 圖

3? 參數設計

??? 90W帶功率因數校正的電源適配器主電路圖參見圖3，其主要電路參數如下：輸入電壓AC88～265V，頻率50Hz；輸出電壓DC12V，輸出最大功率90W，開關頻率65kHz；輕載時開關頻率20kHz，PFC停止工作。

??? 1）諧振電阻、電容的設計

??? 根據開關工作頻率的設計，可以確定諧振電阻RA、RB，與諧振電容CT的值。開關頻率fosc=65kHz，輕載時開關頻率fSB=20kHz。

???? fSB=??? （1）

???? fosc=??? （2）

式中：RA∥RB=

????? KT=

??? 由式（1）、（2）可取RA=20kΩ，RB=10kΩ，CT=3.3nF。

??? 2）反激變壓器的設計

??? 變壓器的設計在減小功率損耗方面起著極為重要的作用。為減小變壓器的漏感，采取“三明治”繞法。即先繞原邊匝數的一半，再繞副邊，最后再繞另一半原邊，這樣可以減少50％的漏感。

??? 由于正常工作時的輸出功率為90W，設計高頻工作的最小輸入功率PinSB=30W（即當輸入功率小于30W時開關頻率由65kHz變到20kHz），檢測電阻Rs=0.28Ω，已知輸出電壓Vo=12V，開關工作頻率fAosc=65kHz，這樣就可以通過式（3）求得變壓器的原邊電感Lp=540μH。

????? PinSB=Lpfosc????? （3）

??? 設原邊電感工作在斷續導電模式（DCM）下，則可得通過電感的峰值電流Ippk為

???? Ippk==2.46A???? （4）

式中：Pin=Po/η，Po=90W，取η=0.85。

??? 正常情況下開關的導通時間

???? ton=???? （5）

關斷時間????? toff=???? （6）

??? 由于電感工作在DCM模式下，就要求

???? toff＋ton<? （7）

取占空比D==0.2，輸出二極管壓降VF=0.7V，從而可得變壓器原副邊的匝比n=10。

??? 另外，由于漏感的存在，變壓器原邊的能量不能完全傳送到輸出端，當開關斷開時，為了釋放儲存在漏感中的能量，需要加一個RCD鉗位電路。

??? 3）功率半導體器件的設計

??? 由于反激變壓器存在一定的漏感，可能會引起一定的尖峰電壓，另外考慮到PFC輸出電壓可能會有所波動，選取耐壓800V以上的開關管；根據最大輸出功率及最小的占空比，開關的導通電流最大值為2.46A。這樣就可以選擇STP6NC90Z，它的耐壓值為900V，最大導通電流是5.8A。

??? 在PFC輸出電壓達到最大允許值時，輸出整流二極管的最大反向電壓將達到55V左右，為留一定的余量，取反向耐壓100V的二極管，同時流過整流二極管的最大電流7.5A。因此可以選擇STPS10H100CT,它的耐壓為100V，最大允許電流是10A。

??? 4）其它

??? 為了達到要求的偏差值，反饋電路通過采用光耦PC817調整輸出電壓。為了減小高頻輸出紋波，在輸出電壓的末端加入一個小的電感電容濾波。

4? 實驗結果

??? 以L5991A為主設計的帶有PFC的AC/DC電源適配器，最主要的優點是負載減輕時開關頻率從高頻自動降到低頻，并且關斷了前面PFC級的工作，從而在很大程度上減小了電路損耗，達到了輕載低損的效果。圖4（a）、（b）表示輸出功率從90W變到10W和從10W變到90W時L5991A的腳16和腳2的波形。從圖中可以看到當負載變化時，腳16電平的突變及腳2諧振頻率的突變狀況。圖5（a）、（b）表示輸出功率從90W變到10W和從10W變到90W時L5991A的腳16和開關驅動波形的變化。從圖中可以看到開關在正常工作時的頻率約為65kHz，在輕載時的頻率約為20kHz。實驗結果表明在空載運行時整個電路消耗的功率低于1W。

（a）? 滿 載→輕 載

（b） 輕 載→滿 載??

圖4? 腳16(上)和 腳2(下)測 試 波 形

（a）? 滿 載→輕 載

(b)? 輕 載→滿 載

圖5? 腳16(上)和 驅 動(下)測 試 波 形

5? 結語

??? 以L5991A為核心設計的帶有功率因數校正的電源適配器，經過相應的參數設計，空載損耗可以達到1W以下。目前在筆記本電腦及相關的對功率損耗要求較高的領域得到了一定的應用。相信隨著節能要求的提高，它將得到更廣泛的應用。

參考文獻

[1] ST, Primary Controller with Standby, August 2001.

[2] ST,Minimize Power Losses of Lightly Loaded Flyback Converters with the L5991A PWM Controller, March 2000.

[3] ST,A Simple Trick Enhances L5991A′ s Standby Function,April 2002.