一個(gè)新的200kHz/200W環(huán)保型開(kāi)關(guān)電源

當(dāng)今，對(duì)額定功率200W以上的高頻實(shí)用型開(kāi)關(guān)電源在進(jìn)行環(huán)保性能評(píng)估方面都或多或少地存在一些麻煩。它們要么EMI噪聲較大，要么輸入電流諧波超標(biāo)或者在一定的功率封裝密度下溫度特性不好，可靠性差等等。要解決這些問(wèn)題，一個(gè)途徑是找尋新的性能更先進(jìn)的變換器拓?fù)?，另一途徑就是選擇新工藝，新器件以盡可能滿足環(huán)保性能評(píng)估的要求。

近年來(lái)國(guó)外某些知名半導(dǎo)體公司花了不少力氣進(jìn)行器件技術(shù)的改造并研發(fā)出一系列有針對(duì)性的性能優(yōu)越的新器件。例如前身為Siemens的Infineon公司近年陸續(xù)地推出專(zhuān)用于解決高頻開(kāi)關(guān)電源上述問(wèn)題的一攬子器件。它們包括耐高壓600V，低導(dǎo)通電阻（Rdson）的CoolMOS管（高頻運(yùn)用時(shí)溫升極低，適用作Boost開(kāi)關(guān)），大電流低耐壓且小Rdson的OptiMOS管（特適用于Buck變換器），PFC?PWM雙合一ICTDA16888（可節(jié)省空間和元件），耐高壓（600V）SiC肖特基二極管（特適用于作Boost二極管）等等。這些器件都有專(zhuān)門(mén)特性，如果在開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中使用得當(dāng)，就會(huì)事半功倍地解決問(wèn)題，而且成本也得到控制。

作為范例，本文擬向讀者介紹利用上述器件綜合制成的一個(gè)工作頻率為200kHz，功率為200W的符合環(huán)保要求的實(shí)用型開(kāi)關(guān)電源。它采用第二代的CoolMOSC2作為PFC和PWM的功率開(kāi)關(guān)，采用SiC肖特基二極管作為PFC二極管，OptiMOS作為同步整流開(kāi)關(guān)，PFC和PWM的控制由同一塊ICTDA16888實(shí)現(xiàn)。該電源具有寬的輸入電壓范圍(90V～275V)，80％以上的AC/DC變換效率。輸出電壓有兩組:＋5V/20A和＋12V/8.3A，帶有輸出過(guò)載保護(hù)和輸出短路保護(hù)。所有功率器件均無(wú)須加散熱片，也不要求接最小的輸出負(fù)載。

2電路方塊圖

圖1示出整體電源的工作框圖。它是由PFC和PWM兩部分組成。第一部分是一個(gè)用于功率因數(shù)校正（PFC）的AC／DC變換器，第二部分是由兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)管組成的正激式脈沖寬度調(diào)制（PWM）的DC／DC變換器。PFC級(jí)是一個(gè)Boost升壓變換器，它的作用是在其輸出端提供一個(gè)380Vd.c.而同時(shí)在輸入端保持輸入電流為正弦波以獲得功率因數(shù)近似等于1。PFC級(jí)另一個(gè)特點(diǎn)是可以讓電源工作在寬電壓輸入范圍（90V～275V）而無(wú)須再加入使整流電路重新配置的電壓范圍開(kāi)關(guān)。所用的功率器件是兩個(gè)并聯(lián)運(yùn)用的CoolMOS型SPB11N60C2以及一個(gè)SiC肖特基二極管SDB06S60（6A／600V）。

雙管正激式變換器通過(guò)耦合變壓器T1實(shí)施與電網(wǎng)的隔離。在變壓器初級(jí)，功率器件是兩個(gè)CoolMOSSPB11N60C2和兩個(gè)EMCON二極管SDD04E60（4A／600V）。次級(jí)有兩組輸出（5Vd.c.和12Vd.c.），但它們的整流原理有所不同。12V輸出使用的是傳統(tǒng)肖特基二極管整流電路，而5V輸出則使用低壓MOSFETSSPB80N03S2L?03作同步整流來(lái)實(shí)現(xiàn)。

PFC和PWM兩部分的功能控制均由一單片集成電路TDA16888來(lái)完成。

3結(jié)構(gòu)／散熱片設(shè)計(jì)

本電源優(yōu)點(diǎn)之一是體積小。它由兩塊大小不一的雙面PCB板組成。較大的一塊（18cm×15cm）為主板，裝有各類(lèi)功率器件和無(wú)源元件，并盡量采用占地小的SMD元件。器件沒(méi)有使用任何散熱片，熱量的散發(fā)是靠PCB板上的主銅皮將熱能傳遞至下面的一塊金屬平板實(shí)現(xiàn)的。較小的一塊（6cm×3cm）為控制板，裝有控制電路，并垂直地插入到主板上。

4部件功能描述

4．1電源主板

電源主板原理如圖2所示，包括以下幾個(gè)部分：

（1）AC輸入／EMI濾波器

SMPS的輸入電壓是90V～275V（50Hz／60Hz），保險(xiǎn)絲用以在電路發(fā)生故障時(shí)，防止電源進(jìn)一步損壞。輸入EMI濾波器（C86，L1，L4，C24，C25，C26,C2）用以抑制由兩功率開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)所產(chǎn)生的高頻噪聲。壓敏電阻R30用以抗御來(lái)源于電網(wǎng)的高壓浪涌。輸入電源整流器（D1?D4）采用常規(guī)的硅二極管。

（2）PFC變換器

這是一個(gè)具有連續(xù)電感電流流過(guò)全負(fù)載的Boost升壓變換器拓?fù)洹ｉ_(kāi)關(guān)頻率為200kHz。輸出電壓近似為380Vd.c.。

PFC的核心部分是Boost電感器L2，開(kāi)關(guān)管Q1A／Q1B，boost二極管D5和大電解電容C3。為了減少寄生電容，L2是利用單根銅線在一個(gè)環(huán)形鐵粉芯上繞制一層而成。并聯(lián)管Q1A／Q1B是用CoolMOS新工藝做的SPB11N60C2，它們具有高的開(kāi)關(guān)速度和極低的通態(tài)電阻，這一優(yōu)點(diǎn)在90V低輸入時(shí)，因電路處在大電流和高占空比運(yùn)行，所以就顯得特別重要。雙管并聯(lián)的目的僅僅是為了擴(kuò)大散熱面積以便使PCB板上的熱分布比較均衡。Boost二極管D5是一個(gè)600VSiC肖特基二極管，因它沒(méi)有電荷貯存而具有非常好的開(kāi)關(guān)特性（沒(méi)有反向恢復(fù)而且沒(méi)有溫度對(duì)開(kāi)關(guān)特性的干擾）。D82為傳統(tǒng)的硅二極管，用于從最初的整流電壓向電解電容充電，以避免SiC二極管D5在開(kāi)機(jī)瞬間承受過(guò)高的浪涌電流。電解電容C3用于貯存能量以降低二次諧波的電壓紋波，同時(shí)它還必須承受開(kāi)關(guān)頻率的電流。電容C3A專(zhuān)用于旁路高頻諧波電流。

圖1200WSMPS方塊圖

圖2200WSMPS主板電原理圖

圖3變壓器結(jié)構(gòu)