一款实用模块化驱动电源的研究与制作

2021-06-17张宏伟

电子测试 2021年9期

张宏伟

（河北科技大学，河北石家庄，050018）

调音台作为音响系统的重要组成部分，其驱动电源基本要求是输出电压稳定，输出电流纹波小。作者结合多年使用经验和专业课教学实践，制作了一款18V、100W的模块化调音台驱动电源样机，使用灵活方便，效果良好，满足了在不同场合下的需要。

1 调音台驱动电源结构

该驱动电源主体电路采取五级架构，保障调音台的稳定可靠供电。第一级采用EMI滤波电路，其功能是起双向滤波；第二级是桥式整流电路，其功能是将交流电整流成直流电；第三级采用PFC电路，其目的是为后一级电路提供稳定的输出电压，同时对本级电路进行功率因数的补偿和校正；第四级是LLC谐振半桥变换器，主要任务是完成前后两级电路的隔离和降压恒压作用，该变换器还具有较高的转换效率；第五级为滤波电路，目的是进一步减小输出电流的波动程度，使其工作在最佳的状态。见图1所示。

图1

2 驱动电源的电路设计

■2.1 EMI滤波电路设计

此电路应具备以下功能：

（1）双向滤波功能：无论是从电网到电源，还是自电源向电网，都具有滤除高次谐波的功能；

（2）对从电网侧传递过来的共模干扰信号和差模干扰信号都具有较强的抑制效果。

为实现上述功能，选择如图2所示的高频增强型EMI滤波结构[1]。R1和R2为差模电容泄放电阻，它与芯片CAPZero共同作用后实现的功能是当接通交流电源后，可阻断差模电容CX1通过泄放电阻R1和R2中的充电电流，将接通电源后的功率损耗降到最小，而在交流电源断电后差模电容CX1通过泄放电阻R1和R2放电，使其两端电压为零，避免用户接触到插头时触电，电路中设置压敏电阻RV1其目的是用来吸收电源侧输入的交流浪涌电压。T1和T2的作用主要是抑制共模干扰信号，CX1和CX2的主要作用是抑制差模干扰信号，CY1和CY2对于高频信号相当于短路，可以旁路掉共模噪声。

图2

■2.2 单相桥式整流电路设计

该电路的作用是将交流电整流成直流电，其电路结构较简单，不再累述。

■2.3 功率因数校正（PFC）电路设计

目前的PFC有两种，无源PFC和有源PFC。

无源PFC电路其成本低，结构简单、可靠性能好，缺点是功率因数只能达到0.7～0.8，电源体积大，成本增加，使用场合上受到了很大的限制。而有源PFC电路由于体积小、通过专用集成电路（IC）去调整电流的波形，其功率因数可达0.9以上，输出直流电压很平稳，输出纹波很小，谐波含量较低，失真较小，输出功率较大，其缺点是制造成本也相对较高。其电路如图3所示。

图3

电路的基本工作原理如下：

从电网输入的交流电压经由四个二极管组成的桥式整流电路整流后，得到一直流脉动电压作为PFC电路的输入电压，经C1滤掉高频干扰信号，再经R8、R9、R16进行分压后，得到一个标准的正弦半波电压，作为采样电压加在功率因数校正器芯片L6562的输入脚3上，以此来确定该电路的电压波形和相位[2]。电路中电容C8的作用是滤掉L6562的3脚上的高频干扰信号，R3、R5为启动电阻直接接到芯片L6562的电源脚8上，R3、R5的阻值要适当，即不能太大，也不能太小，阻值太小可能会使加在芯片上的电压太高而烧坏芯片，阻值太大由于加在芯片上的电压太低可能会使芯片不能启动工作。当芯片正常启动之后，由D3、D4、C3、R6以及升压电感的副边组成L6562的供电电源。通过电阻R15将升压电感线圈T3的副边绕组接到芯片L6562的零电流检测引脚5脚上，当检测到电感电流为零时，芯片L6562的7脚输出一触发信号经电阻R11加在开关管Q1的栅极上使之导通。R4、R7、R12、R13组成分压电路，将Vout（395V）电压分压后，得到一个VFB2.5（2.5V）的参考电压输入到芯片L6562的1、2脚，构成电压负反馈网络，用于稳定输出电压。

■2.4 变换器设计

作为变换器，其功能是对前后两级电路进行隔离，同时变换本级的电流、电压。本设计采用LLC半桥谐振变换器[3]，理由如下：第一、电路中对开关管的开关频率要求不高，且频率变化范围小，便于控制，第二、开关管可以实现零电压开关控制，能够将开关损耗降到了最低，因而其转换效率可以达到最高；第三、在电路结构上采用LLC半桥谐振变换器可与前级电路进行良好的衔接。在实际中LLC谐振半桥的整体电路图如图4所示。

图4

图中芯片L6599是专为LLC谐振半桥拓扑电路而开发的双端控制器，其内部含有一个高精度振荡器，其工作频率高达500kHz，能够完全满足谐振变换器对开关频率的要求。它的高（15脚)、低(11脚)端门极在输出高、低驱动信号时有一个固定的间歇时间，这样在驱动LLC半桥谐振电路的上下两个开关管Q1、Q2时，可以有效的避免它们同时导通而造成桥路短接烧毁开关管，提高了电路的安全性和可靠性[4]。

在图4中前级PFC输出电压经R2、R4、R5、R7分压后，得到大约1.7V的采样电压送到芯片L6599的7脚上，其目的是对电路进行欠压保护[5]，当芯片L6599的7脚上的电压低于1.25V时，芯片不工作，当7脚上的电压在1.25～6V范围时，芯片正常工作，LLC谐振半桥电路正常工作。

在芯片L6599通电后，电容C9在其1脚的作用下被充电，此时相当于电阻R11、R12的另一端对地短路，此时4脚外接电阻变小，电路的振荡频率升高；当电容C9充满电后，对地相当于断路，电阻R11、R12的另一端处于悬空状态，电阻变大，振荡频率降低，电源输出正常电压，实现软启动，芯片正常工作，在忽略高（15脚)、低(11脚)端驱动信号具有的间歇时间的情况下，引脚15端和引脚11端输出互补对称占空比各为0.5的门极驱动信号给LLC谐振半桥的上下两个开关管Q1、Q3，使其交替工作。

Q1、Q3为LLC半桥电路主体部分，在L6599的控制下而交替工作，输出方波电压经变压器送给同步整流电路。

同步整流电路的控制器采用智能芯片TEA1795T。MOS管Qsec1或Qsec2的栅极分别接TEA1795T的3脚或6脚，在没有驱动信号时，芯片TAE1795T不具有同步整流功能；芯片TAE1795T的1脚、4脚和5脚、8脚通过电阻R16或电阻R17分别检测Qsec1、Qsec2的漏极与源极之间的电压，若其中一个漏极与源极之间的电压低于芯片TAE1795T内部的基准值-220mV时，相应的MOS管栅极连接的引脚3脚（或5脚）就会发出相应电平的驱动信号，使相应的MOS管（Qsec1或Qsec2）导通。当变压器TA1输出正半周时Qsec1导通，Qsec2截止；当变压器TA1输出负半周时Qsec2导通，Qsec1截止。在芯片TAE1795T的驱动下，两个MOS管交替导通就可实现同步整流[6]。