摘  要 ： 介 绍 了 一 种 宽 输 入 、 低 空 载 损 耗 的 90 W AC/DC电 源 。 电 路 由 两 级 组 成 ： 以 L6561为 核 心 的 功 率 因 数 校 正 （ PFC） ； 以 L5991A为 核 心 的 DC/DC反 激 变 换 器 。 它 的 主 要 优 点 是 轻 载 时 通 过 L5991A的 变 频 功 能 降 低 开 关 工 作 频 率 ， 减 小 开 关 损 耗 ， 并 通 过 外 部 电 路 的 设 计 关 掉 L6561的 PFC功 能 ， 从 而 达 到 轻 载 时 减 少 电 路 的 功 率 损 耗 的 目 的 。 实 验 表 明 在 空 载 时 ， 整 个 电 路 的 输 入 功 率 小 于 1W。
关键词 ： 空 载 损 耗 ； 反 激 变 换 器 ； 功 率 因 数 校 正  

1 引 言
    许 多 电 器 设 备 在 没 有 工 作 时 仍 然 带 电 ， 从 AC插 头 接 通 的 一 刻 起 ， 他 们 就 在 不 停 地 消 耗 电 力 ， 这 就 产 生 了 “ 待 机 损 耗 ” 问 题 。 一 台 电 器 的 待 机 损 耗 一 般 只 有 几 W， 但 大 量 电 器 的 待 机 损 耗 总 和 就 是 一 个 不 容 忽 略 的 数 字 。
    另 外 ， 在 轻 载 时 减 少 电 路 的 功 耗 已 经 成 为 当 今 电 力 电 子 技 术 发 展 的 一 个 方 向 。 本 文 采 用 的 L5991A是 ST公 司 最 新 的 节 能 控 制 芯 片 。 在 轻 载 时 ， 通 过 关 断 PFC功 能 ， 降 低 开 关 工 作 频 率 ， 以 减 少 电 路 的 损 耗 ， 这 种 设 计 可 使 轻 载 损 耗 在 1 W以 内 。
2 基 本 工 作 原 理
    电 路 的 总 体 框 图 如 图 1所 示 。 为 了 减 小 输 入 电 流 的 谐 波 ， 提 高 输 入 功 率 因 数 （ PF） ， 电 路 中 采 用 了 以 L6561为 控 制 芯 片 的 功 率 因 数 校 正 (PFC)环 节 。 PFC电 路 在 88～ 265 V的 输 入 电 压 范 围 内 ， 输 出 端 都 可 以 得 到 400 V左 右 的 稳 定 电 压 。

轻 载 变 频 控 制 原 理 图 ， 如 图 2所 示 。 L5991A芯 片 采 用 电 流 控 制 模 式 ， 电 压 检 测 端 （ 脚 6） 的 值 Vcomp正 比 于 开 关 的 峰 值 电 流 ， 能 量 通 过 变 压 器 传 输 ， 这 样 就 可 以 通 过 检 测 Vcomp的 值 来 确 定 负 载 的 状 况 。 如 果 负 载 变 轻 使 得 输 出 功 率 变 小 （ 电 压 不 变 ） ， 则 开 关 的 峰 值 电 流 随 之 减 小 ， Vcomp的 值 减 小 到 某 个 门 坎 电 压 VT1时 ， 通 过 芯 片 内 部 功 能 （ 高 频 时 芯 片 脚 16处 于 高 电 平 ， 与 脚 4导 通 ， 脚 2与 脚 4之 间 的 谐 振 电 阻 为 RA、 RB并 联 ； 低 频 时 芯 片 脚 16处 于 低 电 平 ， 与 脚 4断 开 ， 谐 振 电 阻 变 成 RA） ， 使 开 关 频 率 由 fosc下 降 到 fSB； 如 果 负 载 加 重 ， 输 出 功 率 增 大 ， 则 开 关 的 峰 值 电 流 随 之 加 大 ， Vcomp上 升 到 另 一 门 坎 电 压 VT2时 ， 通 过 内 部 功 能 开 关 频 率 就 会 上 升 到 fosc。 在 负 载 正 常 和 轻 载 时 L5991A都 能 正 常 工 作 ， VT1和 VT2可 以 内 部 确 定 或 者 通 过 外 部 附 加 电 路 确 定 ， fosc和 fSB可 以 根 据 实 际 需 要 ， 设 计 恰 当 的 电 路 参 数 确 定 。
    满 载 工 作 时 ， 由 于 脚 16高 电 平 ， Q1断 开 ， Q2导 通 ， Q3关 断 （ 见 图 3） ， 连 接 L6561零 电 流 检 测 端 的 电 压 端 为 高 电 平 ， L6561正 常 工 作 ； 轻 载 时 由 于 脚 16低 电 平 (与 脚 2一 起 谐 振 )， Q1导 通 ， Q2关 断 ， Q3导 通 ， 连 接 L6561零 电 流 检 测 端 的 电 压 端 为 低 电 平 ， L6561停 止 工 作 。 这 样 就 充 分 减 少 了 待 机 损 耗 （ 轻 载 损 耗 ） 。


3 参 数 设 计
    90 W带 功 率 因 数 校 正 的 电 源 适 配 器 主 电 路 图 参 见 图 3， 其 主 要 电 路 参 数 如 下 ： 输 入 电 压 AC 88～ 265 V， 频 率 50 Hz； 输 出 电 压 DC 12 V， 输 出 最 大 功 率 90 W， 开 关 频 率 65 kHz； 轻 载 时 开 关 频 率 20 kHz， PFC停 止 工 作 。
    1） 谐 振 电 阻 、 电 容 的 设 计
    根 据 开 关 工 作 频 率 的 设 计 ， 可 以 确 定 谐 振 电 阻 RA、 RB， 与 谐 振 电 容 CT的 值 。 开 关 频 率 fosc=65kHz， 轻 载 时 开 关 频 率 fSB=20kHz。

由 式 （ 1） 、 （ 2） 可 取 RA=20 kΩ ， RB=10 kΩ ， CT=3.3 nF。
    2） 反 激 变 压 器 的 设 计
    变 压 器 的 设 计 在 减 小 功 率 损 耗 方 面 起 着 极 为 重 要 的 作 用 。 为 减 小 变 压 器 的 漏 感 ， 采 取 “ 三 明 治 ” 绕 法 。 即 先 绕 原 边 匝 数 的 一 半 ， 再 绕 副 边 ， 最 后 再 绕 另 一 半 原 边 ， 这 样 可 以 减 少 50％ 的 漏 感 。
    由 于 正 常 工 作 时 的 输 出 功 率 为 90 W， 设 计 高 频 工 作 的 最 小 输 入 功 率 PinSB=30 W（ 即 当 输 入 功 率 小 于 30 W时 开 关 频 率 由 65 kHz变 到 20 kHz） ， 检 测 电 阻 Rs=0.28 Ω ， 已 知 输 出 电 压 Vo=12 V， 开 关 工 作 频 率 fAosc=65 kHz， 这 样 就 可 以 通 过 式 （ 3） 求 得 变 压 器 的 原 边 电 感 Lp=540 μ H。

式 中 ： Pin=Po/η ， Po=90 W， 取 η =0.85。
    正 常 情 况 下 开 关 的 导 通 时 间

0.7 V， 从 而 可 得 变 压 器 原 副 边 的 匝 比 n=10。
    另 外 ， 由 于 漏 感 的 存 在 ， 变 压 器 原 边 的 能 量 不 能 完 全 传 送 到 输 出 端 ， 当 开 关 断 开 时 ， 为 了 释 放 储 存 在 漏 感 中 的 能 量 ， 需 要 加 一 个 RCD钳 位 电 路 。
    3） 功 率 半 导 体 器 件 的 设 计
    由 于 反 激 变 压 器 存 在 一 定 的 漏 感 ， 可 能 会 引 起 一 定 的 尖 峰 电 压 ， 另 外 考 虑 到 PFC输 出 电 压 可 能 会 有 所 波 动 ， 选 取 耐 压 800 V以 上 的 开 关 管 ； 根 据 最 大 输 出 功 率 及 最 小 的 占 空 比 ， 开 关 的 导 通 电 流 最 大 值 为 2.46 A。 这 样 就 可 以 选 择 STP6NC90Z， 它 的 耐 压 值 为 900 V， 最 大 导 通 电 流 是 5.8 A。
    在 PFC输 出 电 压 达 到 最 大 允 许 值 时 ， 输 出 整 流 二 极 管 的 最 大 反 向 电 压 将 达 到 55 V左 右 ， 为 留 一 定 的 余 量 ， 取 反 向 耐 压 100 V的 二 极 管 ， 同 时 流 过 整 流 二 极 管 的 最 大 电 流 7.5 A。 因 此 可 以 选 择 STPS10H100CT,它 的 耐 压 为 100 V， 最 大 允 许 电 流 是 10 A。
    4） 其 它
    为 了 达 到 要 求 的 偏 差 值 ， 反 馈 电 路 通 过 采 用 光 耦 PC817调 整 输 出 电 压 。 为 了 减 小 高 频 输 出 纹 波 ， 在 输 出 电 压 的 末 端 加 入 一 个 小 的 电 感 电 容 滤 波 。
4 实 验 结 果
    以 L5991A为 主 设 计 的 带 有 PFC的 AC/DC电 源 适 配 器 ， 最 主 要 的 优 点 是 负 载 减 轻 时 开 关 频 率 从 高 频 自 动 降 到 低 频 ， 并 且 关 断 了 前 面 PFC级 的 工 作 ， 从 而 在 很 大 程 度 上 减 小 了 电 路 损 耗 ， 达 到 了 轻 载 低 损 的 效 果 。 图 4（ a） 、 （ b） 表 示 输 出 功 率 从 90 W变 到 10 W和 从 10 W变 到 90 W时 L5991A的 脚 16和 脚 2的 波 形 。 从 图 中 可 以 看 到 当 负 载 变 化 时 ， 脚 16电 平 的 突 变 及 脚 2谐 振 频 率 的 突 变 状 况 。 图 5（ a）  表 示 输 出 功 率 从 90 W变 到 10 W和 从 10 W变 到 90 W时 L5991A的 脚 16和 开 关 驱 动 波 形 的 变 化 。 从 图 中 可 以 看 到 开 关 在 正 常 工 作 时 的 频 率 约 为 65 kHz， 在 轻 载 时 的 频 率 约 为 20 kHz。 实 验 结 果 表 明 在 空 载 运 行 时 整 个 电 路 消 耗 的 功 率 低 于 1 W。
5 结 语
    以 L5991A为 核 心 设 计 的 带 有 功 率 因 数 校 正 的 电 源 适 配 器 ， 经 过 相 应 的 参 数 设 计 ， 空 载 损 耗 可 以 达 到 1 W以 下 。 目 前 在 笔 记 本 电 脑 及 相 关 的 对 功 率 损 耗 要 求 较 高 的 领 域 得 到 了 一 定 的 应 用 。 相 信 随 着 节 能 要 求 的 提 高 ， 它 将 得 到 更 广 泛 的 应 用 。


[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深圳市杰洲科技有限公司

高功率因数低空载损耗AC/DC电源的研究-技术文章高功率因数低空载损耗AC/DC电源的研究