基于交错并联Boost PFC电路的开关电源设计

李炳荣，林春景，龙诺春

（广东白云学院 电气与信息工程学院，广东 广州 510450）

0 引 言

开关电源在效率和节能方面相比于线性稳压电源有着显著优势，但仍存在对电网造成污染、噪声大以及结构复杂等缺点。电子设备对供电电源的要求越来越高，直接推动了开关电源技术的发展。它的发展趋势主要包括低噪声、高效率、高可靠性、小型化、轻型化、薄型化以及高频化等[1]。基于交错并联Boost功率因数校正（Power Factor Correction，PFC）和半桥谐振变换器的开关电源能够很好地解决传统电源存在的问题，满足当前对电源性能要求较高的电子设备的需求，使电子设备更加安全可靠的工作，且具有绿色、节能以及高效等优点，可为大功率长时间工作的云计算设备高效供电，保障大功率民用或工业用电设备的稳定可靠运转[2]。

1 电源设计方案

1.1 设计参数和要求

电子产品、工业设备及家用电器基本均采用开关电源供电。尤其是在计算机、服务器以及通信领域，开关电源有着广泛应用，且对电源性能有着较高要求。下面以云计算设备为例，提出开关电源的性能指标，并探讨满足要求的设计方案和实现方法。开关电源的主要设计指标如表1所示。

表1 开关电源主要设计指标

1.2 电源设计总体方案

根据开关电源的参数指标要求，电路拟由5部分实现，即电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI）整流滤波电路、交错并联Boost PFC电路、半桥谐振变换器、次级控制电路以及直流输出电路[3]。第1部分是EMI整流滤波电路，作用是防雷击、滤除共模信号以及差模信号，防止浪涌电流过大，经过整流桥和大电容将交流电转换成直流电。第2部分是PFC电路，采用交错并联Boost PFC电路。在低负载时，功率因数比单级的PFC电路高，能够满足大功率电源的需求。第3部分是DC/DC变换器电路，采用半桥谐振变换器进行能量的转换。第4部分是次级控制电路，主要是脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）波的产生、调节以及环路反馈。PWM控制电路产生PWM波驱动开关管的开通和关闭。环路反馈电路采样输出电流和电压，通过与控制集成芯片（Integrated Circuit，IC）内部设定的参考值进行比较调节PWM波的占空比，从而调节电压的稳定输出。第5部分是DC输出电路，主要是同步整流、Oring电路以及滤波电路，最终得到稳定的直流电压输出。开关电源的设计框图如图1所示。

图1 开关电源设计框图

1.3 电源电路设计

1.3.1 EMI滤波整流电路设计

EMI电路在电源中的主要功能是过滤电磁波，阻止电子产品工作产生的电磁波向外界发射，而给其他装置及设施造成影响。如图2所示，EMI电路由保险丝、压敏电阻、X电容器、共模电感、Y电容以及热敏电阻等构成。保险丝T4AL的主要功能是保证电气设备不受到大电流或温度过热等影响。压敏电阻VX1主要用于集成电路的瞬态电流保护，相当于一种开关。当电流超过阈值时，由于压敏电阻VX1的阻值无穷小，会增加通过的电流，而对其他电路影响不大，从而降低过电流对后续敏感电路的危害。X电容CX1与CX2的主要功能是过滤差模干扰。共模电感LX1与LX2的主要功能是过滤共模的电磁干扰信号。Y电容CY1与CY2的主要作用是滤除共模干扰[4]。热敏电阻NT1用于抑制浪涌电流，整流桥BD1将交流电转化成直流电。

图2 EMI滤波整流电路

1.3.2 PFC电路设计

PFC电路的主要任务是改善开关电源有功功率与视在功率的比值，是开关电源中应用较多的电路之一。不带PFC的开关电源输入端的功率因数只有0.4～0.6，而带PFC的开关电源特别是主动式功率因数校正，输入端的功率因数在0.9以上，能够减少谐波电流对电网的危害。目前，常见的功率因数校正又分为被动式和主动式两种。被动式只含有无源元件的滤波器，虽然可以节省成本，但是其校正效果逊于主动式功率因数校正。主动式功率因数校正称为有源功率因数校正，能够调节负载的输入电压与电流的相位，功率因数可以达到0.9以上。

PFC电路的拓扑结构常采用Boost电路，电路基本工作原理如图3所示。首先开关管Q2导通，输入电流通过开关管给电感L充电，负载R的能量由电容C提供。当开关管Q2关断时，电感L释放能量，通过二极管D给电容充电，同时给输出负载R提供能量。

图3 Boost PFC电路工作原理

Boost进行功率因数校正是与控制芯片的负反馈相联系的。控制芯片通过分压电阻检测输入时的电网电流和采样电阻电流，通过比较两个电流的差值控制开关管的导通时间。功率因数校正电路通过控制输入电流跟踪输入电压的变化，不断调节输入电流波形，使其逼近输入电压正弦波，以达到接近1的功率因数。

交错并联Boost PFC电路采用两路单级Boost PFC电路并联构成的功率因数校正电路。工作时，驱动信号占空比大小一样，交错导通，减小了开关管的电压应力。两个开关管栅极的驱动信号交错180°，有效减小了输入电流纹波，使得EMI较小，降低了对输入滤波器的要求[5]。

1.3.3 半桥LLC串联谐振变换器电路设计

半桥逻辑链路控制（Logical Link Control，LLC）串联谐振变换器可以实现功率器件软开关，减少开关损耗，具有效率高、频率高以及体积小等优点[6]。半桥谐振变换器的主拓扑电路结构如图4所示。

图4 半桥谐振变换器结构图

开关管Q1和Q2轮流导通，PWM波留有一定的死区时间，防止两个开关管同时导通导致电路短路，占空比各占约50%。电容CQ1和CQ2分别是Q1和Q2的寄生电容，二极管DQ1和DQ2分别是Q1和Q2的体内二极管。由Lr、Lm以及C1或C2构成谐振网络。C1和C2是分体谐振电容，电容容量相等，流过的电压是输入电压的一半。Lr是谐振电感，Lm是变压器的励磁电感。次级采用全波整流滤波电路，负载为电阻R。

1.3.4 次级同步整流电路

次级同步整流电路以MOS管代替二极管来实现，因此需要驱动信号控制MOS管导通和关闭，从而降低损耗。采样同步整流管Q9、Q10、Q11以及Q12的内阻Rds（on）两端的电压产生驱动信号，其中Q9和Q10并联，Q11和Q12并联。使用两个MOS管并联，以减小MOS管的内阻Rds（on），从而减小MOS的导通损耗，提升效率。同步整流电路原理如图5所示。

图5 同步整流电路

1.3.5 反馈环路和驱动电路

次级采用数字控制电路模式。反馈环路采样电流和电压值，通过逻辑代码调节输出电压的稳定性。将PWM信号进行滤波和放大处理后，通过隔离变压器传递到半桥谐振变换器驱动MOS功率管。次级与初级一般采用变压器进行隔离，驱动电路为初级的功率管提供驱动功率。

2 开关电源电路关键技术分析

根据设计的开关电源电路，可以达到稳定直流电压输出的功能。采用的交错并联Boost PFC电路和半桥谐振变换器2个部分电路至关重要，下面对这2个部分的原理和流程进行分析。

2.1 交错并联Boost PFC电路的分析

图6为交错并联Boost PFC电路结构，图7为电感电流和MOS管的驱动电压波形。

图6 交错并联Boost PFC电路结构图

图7 电流和驱动电压波形

将PFC设计为电感电流连续模式，MOS管Q1和Q2占空比相同，PWM波相位相差180°，交错导通[7]。

当占空比大于0.5时，t0～t1期间，t=t0时，两个MOS管均处于导通状态，二极管均处于截止状态，电感L1和电感L2电流线性上升，负载由电容C供电；t1～t2期间，t=t1时，MOS管Q1持续导通，二极管D1仍然截止，Q2开始关断，D2导通，由Vin和L2通过D2给电容C充电、向负载R供电；t2～t3期间，t=t2时，MOS管Q1保持导通，二极管D1保持截止，Q2由关断到导通，D2开始截止，这时L1和L2电流线性上升，负载由电容C供电；t3～t4期间，t=t3时，MOS管Q2保持导通，二极管D2保持截止，Q1开始关断，D1开始导通，由Vin和L1通过D1给电容C充电且向负载R供电，直到t=t4时刻，开始下个循环。

当占空比小于0.5时，t0～t1期间，t=t0时，MOS管Q1导通，电感L1电流线性上升，二极管D1截止。Q2关断，D2导通，由L2和Vin通过D2为电容C充电且向负载R供电；t1～t2期间，t=t1时，MOS管都处于关断状态，二极管都处于导通状态，电感L1和电感L2通过D1、D2为电容C充电、向负载R供电；t2～t3期间，t=t2时，MOS管Q2导通，电感L2电流线性上升，二极管D2截止，Q1关断，D1导通，由L1和Vin通过D1为电容C充电、向负载R供电；t3～t4期间，t=t3时，工作状态和[t1-t2]期间一样，直到t=t4时刻，开始下个循环。

2.2 半桥谐振变换器的分析与设计

根据半桥谐振变换器的谐振频率，半桥谐振变换器可设计工作在f=fs、f＞fs以及fm＜f＜fs这3种工作模式下[8]。这3种模式中，变换器的控制原理基本相同，下面以fm＜f＜fs模式为例分析其工作原理。

当谐振频率fm＜f＜fs时，半桥谐振变换器分为6个工作阶段，工作时电流、电压波形如图8所示。

图8 电流、电压波形

工作阶段1：在t0～t1阶段，t=t0时，S1和S2均处于关断状态，谐振电感电流给S1的寄生电容放电且体内二极管导通，Vgs之间的电压降至零。D1导通，将励磁电感的电压箝位，这时只有谐振电感LS和谐振电容CS参与谐振。

工作阶段2：在t1～t2阶段，t=t1时，S1在零电压条件下导通，谐振电容充电，谐振电感电流和励磁电感电流线性上升。在t=t2前，谐振电感电流开始下降，下降到谐振电感电流和励磁电感电流相等时，初级停止向次级传输能量，D1截止。

工作阶段3：在t2～t3阶段，t=t2时，S1仍处于导通状态，D1截止，励磁电感的电压被释放，这时励磁电感Lm参与到谐振中，由励磁电感、谐振电感以及谐振电容组成谐振腔，直到S1关断。

工作阶段4：在t3～t4阶段，t=t3时，S1和S2均关断进入死区时间，谐振电感电流给S2的寄生电容放电且体内二极管导通，D2导通，将励磁电感的电压钳位，这时谐振腔谐振电感LS和谐振电容CS参与谐振。

工作阶段5：在t4～t5阶段，t=t4时，S2在零电压条件下导通，D2导通接到负载。励磁电感电流由正变负，谐振电容放电。

工作阶段6：在t5～t6阶段，t=t5时，S2尚未关断，D2电流为零，这时励磁电感参与到谐振中，直到t=t6，S2关断，下个循环开始。

根据Lm的工作状态，计算半桥谐振变换器的工作频率。

当Lm不参与谐振时，谐振频率只与谐振电感和谐振电容Cr有关，即

当Lm参与谐振时，谐振频率和谐振电感、谐振电容以及励磁电感三者均有关系，即

3 整机测试

直流电源的输出电压和输出电流中会存在纹波，且容易在用电设备上产生谐波，导致电源效率降低。较大的纹波会产生浪涌电流与电压，烧毁电子设备。对于采用数字电路的电子设备，纹波将会影响其逻辑关系，产生噪声干扰。因此，可以通过纹波和效率两个主要性能指标的测试，评价开关电源的功能和性能。

3.1 纹波测试

纹波的大小是1个判断直流电源质量好坏的标准。在直流电压上含有交流电压成分，称之为电压纹波。一般在次级电路上加滤波器，选择等效串联电阻（Equivalent Series Resistance，ESR）低的电容减小纹波。因为输出纹波电压只能减小不能完全滤除，所以纹波的存在不可避免。本设计对纹波的指标要求是在输入电压为90 V/60 Hz、264 V/50 Hz以及不同负载下纹波小于120 mV，测试结果如表2所示。

表2 纹波测试结果

从测试结果可以看出，在低压输入和高压输入的情况下，纹波均随着负载的增大而增大。

3.2 效率测试

效率测试主要是针对功率电路回路的测试。测试整机效率时，需要考虑通过交错并联Boost PFC输出供电的所有负荷情况。本设计对效率的指标要求是在输入交流电压的范围内整机的效率大于85%。整机测试效率的结果如表3所示。

表3 整机测试效率结果

从测试结果可以看出，整机在输入交流电压的范围内，不同负载下，效率均达到了设计要求。无论低压输入还是高压输入，效率最高的点都是在半载情况下出现的。

3.3 输出波形分析

输出波形的测试结果如图9所示。在宽电压输入条件下，性能指标在规定范围之内。

图9 输出电压纹波

4 结 论

从通信电源产品应用的角度出发，以云计算设备要求的直流电源为例，设计实现了1种高性能开关电源。对100～240 V范围内的交流电，采用Boost PFC电路转变为394 V直流电，同时采用串联谐振的DC/DC变换器电路得到直流电压输出。该电源能够解决普通直流电源在低电压和大电流输出时存在的缺点，提高了电源效率和功率因数。对开关电源基本的指标测试表明，基于并联交错Boost PFC和半桥谐振变换器的开关电源设计，实现的直流电源在PF值、纹波、效率以及负载调整率等主要性能方面均符合当前多种用电设备的指标要求。