上世紀80年代、90年代初的開關電源由于半導體工藝技術的不成熟，電子設備終端系統(tǒng)的供電方式一般采用笨重、低效率的線性電源，到了90年代后期開始大量使用開關電源，但是那時代的開關電源效率低、電磁干擾大、待機功耗高。但是隨著微電子與半導體技術的飛速發(fā)展，各種電子產(chǎn)品終端設備對開關電源提出更加嚴格要的技術指標，要求開關電源效率高、待機功耗低、可靠性高、功率密度高、電磁干擾要小等特點，而綠色電源也就應用而生?？傮w而言，節(jié)能、對電網(wǎng)無噪聲污染、對其他電子設備不產(chǎn)生干擾就是所謂的綠色環(huán)保開關電源。

1、綠色電源系統(tǒng)結構與工作原理

隨時開關電源技術的發(fā)展，衍生了十多種的開關電源拓撲，每個拓撲都有其優(yōu)缺點。不同拓撲的開關電源，其工作原理存在明顯的區(qū)別，但是開關電源的基本系統(tǒng)框架是不會變的，通常有六部分組成，如圖1所示。

圖1開關電源系統(tǒng)結構圖

第一部分是輸入濾波電路，它包含電磁干擾抑制電路、一次整流濾波電路，其中電磁干擾抑制電路作用為：一是防止電網(wǎng)噪聲、電網(wǎng)浪涌通過電源輸入線串入，影響開關電源的穩(wěn)定性;二是抑制開關電源內部由于高頻通斷產(chǎn)生的噪聲通過電源線向電網(wǎng)反饋的噪聲;第二部分功率因數(shù)校正控制電路，該電路可以提高開關電源的輸入功率因數(shù)，減少對電網(wǎng)的電磁污染。一般分為有源功率因數(shù)和無源功率因數(shù)兩種;第三部分為PWM控制電路，也可以描述為功率轉換控制電路，該電路把高功率因數(shù)的直流電壓轉換受控制的高頻PWM脈沖電壓，由變壓器T磁通耦合到輸出端;第四部分為保護電路，提高開關電源的可靠性，滿足各種惡劣環(huán)境;第五部分為輸出濾波和輸出控制電路，該電路實現(xiàn)平滑輸出電壓和穩(wěn)定輸出電壓。

2、基于TEA1755綠色電源設計

2.1、TEA1755簡介

TEA1755是一款高度集成化、外圍電路元器件少，其最要特點在于集成功率校正控制器PFC、反激式控制器PWM的IC，從而實現(xiàn)高性價比的開關電源。在最大功率輸出時，反激式變換器工作在QR或者具備谷底開關的DCM模式;在中等功率時，反激式控制器進去FR降頻模式并把峰值電流限制在一個可調節(jié)的最小值上;在低功率時，PFC關閉來獲取高的效率;在輕載時，反激式變換器開關頻率降至25kHz以下，反激式變化器進入burst突發(fā)模式。在沒有開關脈沖的burst模式中，芯片內置供電電流被進一步限制在最小以獲取高的效率，先進的burst模式保證了輕載時的高效率和良好的待機功耗，并降低了變壓器噪音。

2.2、設計舉例

假設需要設計一個75W的反激變換器，已知以及預設的參數(shù)如下：

輸入電壓Vin：85~265VAC;

PFC功率因數(shù)：≥97%;

輸出電壓Vo：24VDC;

輸出電流Io：3.2A;

輸出功率Po：75W;

效率η：≥88%。

2.2.1、輸入電磁濾波設計

圖2 輸入EMI濾波電路

電阻R1、R2選擇原則是：在電容C1、C2的容值具有足夠選擇余地時，電阻值越小越好。假設，電阻R1、R2特定功率為PR，電阻兩端的最高輸入電壓為Vinm，則有：

如：設PR=0.5W，Vinm=300V，則R1+R2≥300K，可取R1、R2=200K。

另外在選擇電阻R1、R2的額定功率時，要考慮從電網(wǎng)串入，經(jīng)防雷擊保護電路后的浪涌殘壓能量，其額定功率為瞬時功耗的四分之一倍。設殘壓為1200V，則R1、R2還應滿足：

將PR=0.5W代入上式得電阻R1+R2≥720K，所以取電阻R1、R2=200K不滿足這一條件，綜合考慮應取圖2輸入EMI濾波電路333電阻R1、R2=390K較合理。

X電容容量的選定：根據(jù)安規(guī)標準要求，X電容容量強制要求當輸入電源斷電時，必須在1s內放電至安全電壓42.4V，則X電容取值參考如下公式：

將電阻R1、R2=390K代入X電容計算公式得：Cx小于0.58μF，取標準容值Cx=0.47μF，如圖2所示的電路中，取C1=C2=0.2μF。選擇X電容時還要考慮其最大的承受耐壓，由于X電容在電源線輸入端，所以必須具備承受瞬態(tài)高壓的能力。

Y電容容量的選定：根據(jù)安規(guī)標準要求，強制規(guī)定Y電容在標稱輸入電壓時，各相線對大地的漏電流小于3.5mA，假Y電容為Cy，則有：

上式中：fo為交流輸入電壓的工頻頻率，代入上式可得Cy=C3//C4//C24//C30《0.056μF，由于開關電源機殼與大地間存在分布電容，所以存在漏電流，則取Cy要比實際計算值要小，取Cy=0.047μF。

在實際使用中，由于電容的容抗在不同的頻率下呈現(xiàn)不同的特性，特別是在超高段，容抗幾乎相同，所以一般采用多個小容量的電容過并聯(lián)，滿足總容量要求。

2.2.2、PFC設計

PFC控制通過谷值檢測，使其工作在QR或是DCM模型;PFC工作最大頻率為139kHz，當工作頻率低于139kHz時需要多個谷值檢測，確保PFC開關管在零電流時關斷，提高轉換效率。PFC的輸出不同的電壓，可以由輸入電壓調制后的PFC控制。PFC輸出電壓必須大于輸入整流濾波后的電壓，當PFC的最低輸出值為250VDC，那么輸入電壓的臨界切換值為：

所以PFC電感的次級匝數(shù)Na為：

考慮最大電壓安全范圍，選擇Na=2。

2.2.3、變壓器、共模電感設計

反激變壓器相當于一個儲能電感，它決定開關電源PWM的占空比D和最大峰值電流。在設計反激式變壓器，要求在最惡劣的輸入、輸出條件下，選擇合適的工作點，可以使變壓器在全輸入電源范圍內發(fā)熱量最小。按照設計要求，最大占空比Dmax計算如下：

初級平均電流：

選擇磁芯體積大小比Ve大的磁芯，磁芯的選擇一般要考磁芯散熱、EMI的問題，磁芯的面積越大，鐵損越大;磁芯表面積越大，散熱能力越強。PQ磁芯的體積與熱輻射面表面積、線圈的繞組面積之間的比例是最佳的。所以對于給定輸出功率，PQ磁芯的溫升最小。另外，在同一輸出功率下，變壓器的體積最小，因其容積與線圈繞組面積之比最好。選擇PQ26/25型號的磁芯，其中Ve=6.53cm3、Ae=118mm2、ΔB=0.2T。初級繞組匝數(shù)：

2.2.4、PCB布局考慮

交流路徑的布局在開關電源的PCB布局中是至關重要的，而DC路徑不是這樣的，而直流通路并非如此。在開關節(jié)點處，由于電流基波的諧波非常豐富，此時會產(chǎn)生輻射、開關噪聲干擾，影響其他器件的正常工作，那么在布局PCB時，要特別留意一些關鍵的開關節(jié)點，如：開關管、輸出整流二極管的交流電流通路的流向。主要有如下經(jīng)驗：

(1)開關節(jié)點處的銅皮走線要盡量小，不過要考慮散熱的問題。IC的檢測腳及相關器件要遠離，AC端地濾波環(huán)路也要遠離開關節(jié)點;

(2)高頻濾波電容器銅皮線，盡可能靠近IC，盡量短，粗，從而達到濾波效果

(3)初級地線的走法，一般分為4塊地：IC地、Vcc地、功率地、參考地，同地為一小整體布局，最后再與參考地單點連接。注(參考地---輸入電解電容地;功率地---開關管地、大電流低;IC地---IC與外圍電路的地;Vcc地---輔助繞組地。)

(4)所有高頻環(huán)路電流，要盡量小;

(5)散熱問題整體電源系統(tǒng)中有三部分散熱：開關管、整流輸出管、變壓器;

(6)注意安規(guī)間距、高電壓爬電距離。

3、結論

綠色環(huán)保型開關電源電路是微電子與半導體技術發(fā)展下的產(chǎn)物，高效率、對電網(wǎng)的電磁污染低、高可靠等特點符合國家的環(huán)保政策，能在市場上能獲得更加廣泛的應用，產(chǎn)生價值。