开关电源适配器如何设计

　　设计原理
　　在本文所提出的开关电源适配器设计方案中，我们采用的是比较新颖的两级式设计思路，适配器的前级功率因数校正采用 Boost 变换器，这样的选择能够有效提高低输入电压时的变换效率，其 PFC 级采用变输出电压的方法，其输出电压跟随输入电压变化。而后级 DC-DC 变换器则选择采用两路反激变换器交错并联，通过这一方式能够减小其输入和输出电流纹波，同时采用同步整流技术，以进一步提高变换效率。
　　
　　（a）主功率电路图
　　
　　（b）Boost 变换器电感电流临界连续模式主要波形图
　　图 1
　　PFC 级工作原理
　　上图中，图 1 分别给出了我们所设计的这一开关电源适配器的主功率电路图，以及 Boost 变换器电感电流临界连续模式下的主要波形图。其中，图 1（a）为提出的新型两级式变换器的主功率电路图。从图 1（a）中可以看到，该方案中，Boost 变换器采用电感电流临界连续模式的控制方式，这种控制方式的优点是二极管零电流关断没有反向恢复的问题，同时具有功率因数高的优势，且原边开关管能够保持零电流开通。
　　在 PFC 级的设计中，我们所采用的 Boost 变换器处于电感电流临界连续模式下工作时，其主要波形如上图中的图 1（b）所示。在一个开关周期内，当电感电流 iLB 为零时，则二极管 DB 关断，此时开通开关管 SB，iLB 由零开始线性增加。当它达到整流桥输出母线的电压采样信号时，关断 SB，DB 开通，iLB 由最大值线性下降到零。在输入电压的 1/2 周期内，由多个开关周期组成。在每个开关周期内，iLB 的平均值跟随整流桥输出电压，因此 iLB 的平均值跟踪整流桥输出电压波形，由此实现 PFC 的功能。
　　在图 1 所设计的这一主功率电路图中，当输出功率相同时，输入电压低，相应的输入电流有效值较大。而当低输入电压时，Boost 变换器的主要损耗是整流桥的导通损耗和开关管的导通损耗。根据 Boost 变换器的电压输入输出关系 Vo=Vin/（1-D）可知，当输入电压固定时，输出电压越低，占空比越小，因此开关管导通损耗越小。为了提高输入电压低时的效率，我们可以将输出电压降低。因此，针对 PFC 级输入电压范围宽（90-265Vac）的特点，采用变输出电压的控制方式，在该控制方式下，输入电压与输出电压的关系如下图图 2（a）所示。
　　
　　（a）
　　
　　（b）
　　图 2 PFC 级 Uin 与 Uopfc 的关系及其控制电路图
　　在了解了 Boost 变换器处于变输出电压的控制方式下输入电压与输出电压的关系后，上图中，图 2（b）给出的是在这一开关电源适配器设计方案中，Boost 变换器输出电压跟随输入电压线性变化的控制电路图。从图 2（b）中可以看出，在电压闭环中引入输入电压有效值作为前馈量，采样信号取反后与输出电压的采样信号取和，接到 PI 调节器的反向输入端。在这一控制电路系统中，PI 调节器的输出接到乘法器的输入端，与整流桥输出电压的采样相乘后作为电流环的给定，以此来控制电感电流的幅值。当输入电压变化时，输出电压也随之变化。