高效率開關電源的研制

全球能源價格的不斷上漲，使得各行各業不得不認真考慮節能的問題。在各種節能方法中，提高開關電源的效率是一個重要手段，美國自提出80PLUS計劃后又推出85PLUS、88PLUS計劃，并且在短期內實施。因此，盡可能提高開關電源的效率是電源行業不斷追求的目標。
要想提高開關電源效率，首先要清楚影響開關電源的因素。一般來說，反激式及其衍生電路的效率最低，多極變換電路拓撲的效率低于單級變換。因此，在應用中應盡可能不采用上述電路拓撲。
對于正激式功率變換來說，占空比越大相對效率就越高，因此在實際設計中應選擇盡可能大的占空比，如果占空比接近1則是最理想的。
輸入電壓變化范圍大的開關電源要比輸入電壓變化范圍小的效率低。避免輸入電壓大范圍變化或盡可能的避免不必要的輸入電壓變化裕量是提高開關電源效率的最簡單方法之一。
隨著開關頻率得越來越高，開關損耗已經是不可忽視的因素。簡單的RCD緩沖電路方式是影響效率的重要因素。因此采用軟開關、零電壓開關可以有效地消除開關損耗。
應用400～700V電壓等級的MOSFET，導通損耗可能占總損耗的三分之二。因此設法減小MOSFET的導通電阻可以有效地降低MOSFET的損耗。
基于上述因素，我們提出采用PFC+非穩壓隔離變換器組合獲得高效率開關電源的實現方法。用MC33368實現PFC控制，采用IRS2453自振全橋變換器進行DC/DC變換。

工作原理簡述
由于PFC具有穩壓功能，在輸出電壓穩定度不是很高的應用中，隔離變換可以不采用常規的PWM控制方式，而采用“100%”占空比的非PWM控制方式，這樣就可以將效率提高2%甚至更多。輸出電壓的穩定可以由PFC環節的穩壓功能完成，其原理框圖如圖1所示。

圖1? 采用PFC+非穩壓隔離變換器組合的原理框圖

這樣就能將非穩壓隔離變換器看成PFC的一部分，而PFC則變成隔離型PFC。由于隔離型PFC具有隔離功能、電壓關閉功能和穩壓功能，就使其成為真正意義上的隔離型開關穩壓電源。
采用非PWM工作方式所得到的最大占空比可以使全橋電路中的開關管在“零電壓”下導通，即實現“零電壓開關”。這樣能提高電路工作的可靠性，進一步減小損耗，提高效率。

IRS2453功能簡介
IRS2453自振全橋變換器是美國國際整流器公司在自振高壓橋式驅動器IR2153的基礎上發展起來的。
IRS2453自振全橋驅動器具有較高的工作電壓（600V），內部有一個類似于555定時器的頻率可設置的振蕩器，全橋柵極驅動可保證其精確的死區時間。在此芯片內部，包含MOSFET組成的全橋電路。這樣的構造，一方面節省了外部器件，降低了成本；另一方面，節省了空間，使整個電源的體積縮小。更重要的是，在芯片內部，開關管工作的占空比固定。在該全橋電路前端結構中，各開關管的占空比可接近50%，這使得全橋電路中開關管的占空比可達到95%，甚至更高。而通常情況下，開關管的最大占空比小于80%。這樣，全橋電路中開關管的占空比上升，導通損耗下降。而且，本設計屬不調節脈寬形式，效率得到了很大程度的提高。IRS2453自振全橋驅動器原理框圖如圖2所示。

圖2? IRS2453的原理框圖

完整電路分析與電路設計要點
整個電源的完整電路原理圖及詳細參數如圖3所示。整個電路由采用MC33368構成的PFC電路單元與用IRS2453構成的非穩壓隔離型變換器組合而成。

圖3? 采用PFC+非穩壓隔離變換器組合的電路原理圖

之所以選用IRS2453作為非穩壓隔離型變換器的控制芯片，主要是因為非穩壓隔離型變換器不需要PWM功能，但是需要時鐘來獲得所需要的輸出脈沖，這就是IRS2453自身帶有振蕩器的原因。IRS2453自身具有全橋驅動能，其二橋式變換器需要高、低邊驅動，全橋則需要兩路高端驅動電路。由于IRS2453具有上述功能，用來作為非穩壓隔離型變換器的驅動控制芯片是最佳的。
由于選擇大占空比的工作狀態，在常規條件下纏繞的變壓器在此時的效率達到最高。

測試結果
從電路圖上可以看出，在本設計中，市電經過功率因數校正電路后，即得到了穩定的直流輸出電壓，這樣就省略了電路的穩壓調節過程，在一定程度上提高了電源的效率；另外，IRS2453自振全橋變換器的輸出占空比是一定的，不需要進行脈寬調節，這使得電源效率在原有基礎上又得到了進一步的提高。產品的詳細參數如下：
● 體積：100mm×60mm×40mm
● 開關管漏/源電壓測試（見圖4）

圖4 開關管的源漏極電壓波形
● 滿負載下輸出紋波電壓測試（見圖5）

圖5 中等負載下的輸出紋波電壓
● 輸入電流與諧波分析（見圖6）

圖6 輸入電流與諧波分析

整機效率測試的結果如表1所示。

從上述分析可以看到，采用本文的技術方案可以容易得提升開關電源的高效率，電源的功率因數計高次諧波參數完全可以滿足要求。

結語
本設計是一種簡單的利用IRS2453芯片實現的高效率功率變換器，成本低、體積小。經測試、計算得，本整機的效率為89.5%。其輸出24V直流電壓，具有廣泛的應用價值。如果仔細雕鑿可以使效率在25~100%負載條件下超過90%，成為真正的高效率開關電源。