（电力电子与电力传动专业论文）120w笔记本电脑电源适配器的研制.pdf

1 2 0 w 笔记本电脑电源适配器的研制 a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to ft h el a p t o p ，i ti sn e c e s s a r yt od e v e l o pn e x tg e n e r a t i o no f a d a p t o r f o rt h el a p t o p t h i sp a p e rr e v i e w st h ed e v e l o p m e n to ft h ea d a p t o r s ，a n dp o i n t so u ts o m e d e s i g n i s s u e s i no r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n to ft h en e x tg e n e r a t i o no fa d a p t o r , t h i sp a p e r p r o p o s e dat w o s t a g ea p p r o a c h ，w h i c h c o n s i s t sap o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ( p f c ) s t a g e a n dad e d e s t a g e t h ep f cs t a g ei s ab o o s tc o n v e r t e ro p e r a t i n gi nd i s c o n t i n u o u s c u r r e n tm o d e ( d c m ) b o u n d a r yt oa c h i e v eh i g h p o w e rf a c t o r a n da v o i dr e v e r s e r e c o v e r y o ft h eb o o s td i o d e t h ed c d c s t a g e c o n s i s t st w oi n t e r l e a v e d f l y b a c k c o n v e r t e r st or e d u c et h ei n p u tc u r r e n ta n do u t p u tc u r r e n t ，a n da sar e s u l t ，t h eo u t p u t c a p a c i t o rc a nb er e d u c e d i no r d e rt oi n c r e a s et h ee f f i c i e n c yo f t h ep f c s t a g ea tl o w l i n e ，i t so u t p u tv o l t a g ei sc o n t r o l l e dt ob ev a r i o u sf r o m2 1 0 vt o3 9 0 vl i n e a r l yw i t h t h el i n ev o l t a g e s y n c h r o n o u sr e c t i f i e ri sa d o p t e dt ot h ef l y b a c kc o n v e n e rt oi n c r e a s e i t se f f i c i e n c y t h i sp a p e rp r e s e n t st h eo p e r a t i o np r i n c i p l ea n dd e r i v e st h ek e ye x p r e s s i o n so f t h e p r o p o s e dt w o s t a g ea p p r o a c ha l o n g w i t ht h es r a d o p t i n g t h ep r o p o s e d t w o s t a g ea p p r o a c h ，a1 2 0 wa d a p t o rw i t h u n i v e r s a li n p u t a n d19 v 6 3 ao u t p u ti sd e s i g n e d ，m i da p r o t o t y p ei sb u i l ti no u r l a b t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t sv e r i f yt h ee f f e c t i v e n e s so f t h ep r o p o s e da p p r o a c h ， k e y w o r d s ：a d a p t o r , p o w e r f a c t o r c o r r e c t i o n ( p f c ) ，d c d cc o n v e n e r , i n t e r l e a v e dp a r a l l e l ，s y n c h r o n o u sr e c t i f i e r 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独屯进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 作者签名：彭醯 日期： 呈! ! 圭：三 南京航空航天大学硕 学位论文 1 1 什么是电源适配器 第一章绪论 近年来，电子产品，如笔记本电脑、液晶显示器、数字录象机、数码相机、 个人数字助理( p e r s o nd i g i t a la s s i s t m l t ，p d a ) 、手机、游戏机、随身听等发展迅 速，其中绝大多数需要低压直流电源为其供电或为其机内电池充电。为了从市 政电力的交流系统中获取电力，两者之间必须有a c d c 的转换装置，这就是电 源适配器，如图l ，1 所示。它是将交流电网的交流电变换成电子产品所要求的直 流电压，其输出电压一般较低( 几伏到十几伏) ，功率较小( l 瓦到一百多瓦) 。为 了满足电子产品能在全球范围内使用，要求电源适配器的输入电压范围为全球 电压输入范n ( 9 0 2 6 5 v a c ) 。 图1 1 电源适配器示意图 1 2 电源适配器的发展与趋势 在2 0 世纪七、八十年代，电源适配器采用线性电源技术，其原理图如图1 2 所示。交流电压经过工频变压器变压后得到较低的交流电压，通过全桥整流电 路、滤波电路和稳压电路，然后得到稳定的直流电压输出，其中稳压电路的调 整管工作在放大状态。 线性电源稳定度较高、输出电压纹波较低，没有e m i 干扰的问题。但线性 电源存在以下缺点：1 ) 它需要工频变压器，电源体积和重量较大；2 ) 输入电压范 围很窄；3 ) 稳压电路中的调整管工作在线性放大状态，损耗较大，效率很低( 3 5 左右) ，需要较大的散热片。 开关直流电源组成的方框图如图1 3 所示。交流电压经过全波整流电路和 1 2 0 w 笔记本电脑电源适配器的研制 图12 线性直流电源组成的方框图 全 直 。扒 波 u 。入八 滤 u 盎 直 波 变 整 0 【 f电o 换 。i i 流 电 路 器 路 图1 3 开关直流电源组成的方框图 滤波电路得到较为稳定的直流电压，再经过直直变换器得到需要的直流稳压电 源。其中直直变换器中的功率管工作在开关状态。它效率高，体积小，重量轻， 但是由于功率管工作在开关模式，会产生电磁干扰( e l e c t r om a g n e t i ci n t e r f e r e n c e e m i ) 问题，同时由于交流电网直接接到整流桥和滤波电路上，在电网的半个周 期内，只有在输入电压的峰值时间才有输入电流，导致电源的输入功率因数很 低( 大约为0 6 ) 。该电流中含有大量电流谐波分量，对电网产生谐波“污染”。 随着用电设备的曰益增多，谐波污染问题引起了越来越广泛的关注。 为了限制电流波形畸变和谐波，减小对电网的“污染”，一些世界性的学术 组织或国家已经颁布或实施了一些输入电流谐波限制标准，如i e c 5 5 5 2 、 i e e e 5 1 9 、i e c l 0 0 0 3 2 等。其中i e c 5 5 5 2 标准自1 9 9 4 年起已在欧盟国家全面 实施，所有在欧盟市场销售的用电设备都必须满足这一标准。在中国，2 0 0 3 年 有关部门规定，所有输入功率大于7 5 w 的电子产品在进行3 c ( c h i n ac o m p u l s o r y c e r t i f i c a t i o n ) 认证时，其输入电流的谐波必须限定在规定值内 2 1 。 1 2 1 具有p f c 功糍的电源适配器电路拓扑选择 由上面可知，输入功率大于7 5 w 的电源适配器必须有功率因数校币( p o w e r f a c t o rc o r r e c t i o n ，p f c ) 功能。具有p f c 功能的电源适配器的电路拓扑的概括起 来可分为两类：两级式方案和单级式方案。 南京航空航大火学硕七学位论文 1 2 1 1 两级式变换器 两级式变换器就是将变换器分为两级：p f c 级和d c d c 级，方框图如图1 4 0 ) 所示| _ 3 】【“。日口级通常采用b o o s t 变换器实现输入电流整形以减小输入电流谐波 与此同时，将全球输入电压范围的交流电压转换为直流电压v b ，其变化范围一 般为3 8 0 4 0 0 v 。v 。再通过后级d c d c 变换器实现隔离和变换，得到需要的直 流输出电压，并实现对输出电压的快速调节。 图1 4 ( b ) 是两级式变换器的输入交流电压v 。电流f ，。和占空比变化波形。 p f c 级的占空比绵f c 在半个交流周期内随输入电压变化，最大可为l ，使输入电 流跟随输入交流正弦电压，可以使输入电流接近正弦。稳态工作时，由于d c d c 变换器输入输出电压恒定，所以d c d c 变换器的占空比南( = ，d c 是恒定的。 两级p f c 方案具有优良的性能，如输入电流的总谐波失真度( t o t a l h a r m o n i c d i s t o r t i o n ，t h d l 一般小于5 ，功率因数可以到o 9 9 9 ；由于v b 近似恒定，d c d c 变换器可以被优化；此外，由于v b 相对较高，对于一个给定的保持时间可采用 较小的储能电容。 在两级式变换器中，可实现p f c 功能的拓扑有：升压变换器( b o o s t ) 反激 变换器佰l y b a c k ) 、s e p i c 变换器等。b o o s t 结构简单，输入电流脉动小，断续、 临界连续、连续模式均可实现p f c 功能，技术很成熟，已有针对b o o s t 变换器 作为p f c 的控制芯片，如：u n i t r o d e 公司的u c l 8 5 4 a b 和u c l 8 5 5 ，t o k o 公司 的t k 3 8 5 4 ，m i c r o l i n e a r 公司的m l 4 8 2 1 ，s i e m e n s 公司的t d a 4 8 1 5 和t d a 4 8 1 9 东芝公司的t a 8 3 1 0 等。 p f c 级d c d c 级 ， 八i 易、迭 太夕一 d p f c 、c ( a ) 两级式方案方框图( b ) 输入交流电压、电流和占空比 图1 4 两级式变换器及主要波形 2 0 v r 笔记本电脑电源适配器的研制 f l y b a c k 变换器结构简单，可实现电路输入输出的电气隔离，但只能r 作在 断续工作模式，输入电流脉动大，往往需要较复杂的e m i 滤波设计，只适合于 小功率的场合 5 1 。 s e p i c 变换器具有输入电流脉动小，电气隔离等优点，但是结构复杂，动态 性能比较差，只适合于中小功率场合1 6 】。 符合电源适配器两级式方案的d c d c 拓扑有：反激变换器、正激变换器、 半桥变换器和全桥变换器等。反激变换器方案变压器的体积大，输入电流脉动 大，e m i 难处理：正激变换器需要磁复位电路，变压器是单方向磁化，体积和 重量较大；半桥变换器需要增加一只高耐压的大电解电容；全桥变换器有四个 开关管，对于电源适配器来说，过于复杂，成本的压力比较大1 7 。 1 2 1 2 单级式变换器 单级式变换器是将p f c 变换器与d c d c 变换器集成在一个主功率电路中， 只有一套控制电路，同时对输入电流整形和对输出电压调节。控制电路只调节 输出电压，稳态工作时，在整流桥输出电压周期里其占空比基本不变，要求输 入电流能自动跟随输入电压。其方框图和输入电压、输入电流和占空比波形如 图1 5 所示【4 】【8 【9 j 。 单级式变换器结构相对简单，成本低，但是它功率因数低，电流谐波较大， 动态响应速度慢，而且设计较复杂 l o 】。 4 t i n j 如c d c ( c ) ( a ) 单级式方案方框图( b ) 输入电压v 。电流i 。和与空比d 图1 5 单级式方案方框图及主要波形 南京航空航天大学硕士学位论文 从i ：面的分析可看出，两级式变换器和单级式变换器各有优缺点。两级方 案适合于对性能要求高、价格不敏感、中大功率应用；单级方案适用于体积要 求较小，性能要求不高的应用场合。因此在设计电源适配器时，应根据具体设 计要求选择合适的方案。 1 2 2 同步整流技术 为了提高变换器的效率，d c d c 级变换器需要采用同步整流技术。同步整 流管有两种驱动方法：一是自驱动方式，二是采用专用控制芯片方式。 根据采样的信号不同，自驱动方式可分为电压型自驱动和电流型自驱动两 种。电压型自驱动比较简单，已得到了广泛的应用，但是它有三个主要的缺点川： l 、驱动部分是主电路的一部分，在一些电路中会很复杂；2 、驱动电压会随着 输入电压的变化而变化；3 、当带有电压型自驱动的变换器并联时，可能会出现 这样的问题，即当同步整流管控制在可反向导通时，电流会从输出电压较高的 变换器流向输出电压较低的变换器，使两台变换器形成环流。 电流型同步整流是检测同步整流管的电流方向，并只允许正向电流通过， 克服了电压型同步整流的缺点，而具有能量恢复电流型同步整流解决了电流型 同步整流开关频率不高的问题 1 ”。 采用专用控制芯片方式的同步整流的优点是控制精确，驱动电压稳定。但 由于需要专用芯片，控制比较复杂“。 1 , 2 3 提高电源适配器空载和轻载效率的设计 为满足“能源之星”r e n e r g ys t a r ) 标准和欧洲提出的“b l u e a n g e l ”的要求， 必须要设计在空载时的损耗限定在一定的范围内【l ”。电源适配器为了提高效率 普遍采用同步整流管代替肖特基二极管，但是同步整流管有一个特点就是可以 双向导通。如果采用肖特基二极管作为整流管，在轻载时电感电流将进入断续 状态。如果采用同步整流管作为整流管，在轻载时，由于其可以双向导通，电 感电流将会反向流通，整流管的导通损耗较大，导致效率较低。 为了解决这个问题，一个容易想到的方法就是在轻载时控制同步整流管的 导通时间让电感电流不能反向流过。文献i t 5 1 提出了几种具体的方法：第一种是 恒频控制，在轻载时关掉同步整流管，用一个反并的肖特基代替；第二种是也 是恒频控制，在轻载时控制同步整流管的导通时间让电感电流不能反向；第三 2 0 w 笔记本电脑电源适配器的研制 种是变频控制，即轻载时采片 低频，重载时采用高频，而且轻载时关掉同步整 流管，用一个反并的肖特基二极管代替；第四种也是变频控制，轻载时控制同 步整流管的导通时间，让电感电流不能反向。总的来讲，这几种方法都是在控 制电路上想办法。 另外，+ 个思路是通过一些辅助简单的控制，使同步整流管也具有像二极管 一样的单向导电性，这就是“a c t i v ed i o d e ”的概念1 2 l 1 6 1 。它通过检测流过同步 整流管的电流来产生同步整流管门极驱动信号，当流过同步整流管的电流反向 时，同步整流管关断。 由上面的分析可以看出，尽管所采用的具体措施不同，但提高电源适配器 轻载效率的一个根本出发点就是阻断轻载时流过同步整流管的反向电流。 为了减小控制电路在空载时的损耗，还可以将控制电路中的一些功能关闭， 切断它们的供电电源。 1 2 4 电源适配器的趋势 随着信息技术的日益发展，越来越多的可移动式、便携式电子产品进入了 我们的工作和生活中，电源适配器的发展空间也不断得到拓展，体积小，重量 轻、效率高、输入电压范围为全球电压输入范围、符合“e n e r g ys t a r ”和“b l u e a n g e l ”标准是其必然的发展趋势。 1 3 1 2 0 w 笔记本电脑适配器的提出 笔记本电脑作为i t 产业的宠儿，最大的特点是可移动性，而支持其可移动 性的基础就是它的电源系统。主流笔记本电脑标准配置的电源系统包括可充电 电池和外接的直流电源。可充电电池一般装在笔记本电脑机壳里，输出电压有 8 4 v 、1 0 8 v 、1 4 4 v 等。其充电的适配器则是外置的，它的功能是把电网的交 流电转换成低压直流电，为日常工作提供能源和对电池充电。现在笔记本电脑 使用的电源适配器为6 0 w 、7 2 w 等，随着笔记本电脑功能越来越多，需要的功 率越来越大，6 0 w 、7 2 w 的电源适配器已经满足不了笔记本电脑的要求，因此 要研究符合下一代笔记本电脑要求的电源适配器。为了减少能量在线路上的损 耗，笔记本电脑端的输入电压提高到1 8 v ，考虑线路损耗笔记本电源适配器的输 出电压为1 9 v 。 6 南京航空航天大学硕士学位论文 下一代笔记本电脑需要的功率为9 0 1 2 0 w ，本文的研究内容是研制1 2 0 w 的 笔记本电源适配器，其性能指标如f 输入电压v 9 0 2 6 5 v a c 输出电流1 0 ：6 3 a d c 效率n ：不小于8 8 1 , 4 1 2 0 w 电源适配器设计难点 输出电压v 。：1 9 v d c 输出功率p 。：1 2 0 w 空载损耗：小于1 w 在前面我们已经提到，电源适配器不仅要求体积小，重量轻，空载损耗小 的特点，同时也必须做到效率高，能满足各国的安规、电磁兼容与环保要求和 能在全球输入电压范围内使用。因此1 2 0 w 笔记本电脑的电源适配器设计难点 是：体积、重量、效率之间的平衡。具体地说： 第一，在市面上的笔记本电脑的电源适配器只有六七十瓦左右，小于各国 规定的限制输入电流谐波要求的输入功率，因此市面上的笔记本电脑电源适配 器对输入电流均没有校正。对于1 2 0 w 电源适配器必须有p f c 功能，以满足环 保的要求。这样对电源适配器的体积、效率都是个挑战。 第二，电源适配器需要在空载、轻载和重载时均能保持高效率，以符合现 在环保节能的要求。 第三，电源适配器的外壳是基本绝热的塑料，热量主要靠散热片热传导。 热设计也是一个挑战。 1 5 本文的主要内容和研究意义 1 5 1 本文的主要内容 本文研究内容按照从理论到实践，最后是总结的顺序展开。 第一章绪论总体介绍电源适配器的特点，回顾电源适配器的发展及趋势， 并提出了1 2 0 w 电源适配器的研究目标。 第二章提出一个1 2 0 w 两级式方案，并对其工作原理和特点进行详细阐述。 第三章为提高p f c 级低输入电压时的效率，p f c 级采用变电压输出的控制 方案，并与传统的两级式变换器进行比较。 1 2 0 w 笔记本电脑电源适配器的研制 第四章介绍同步整流在提出的两级式方案中的应用。 第五章结合提出的电源适配器两级式方案、b o o s t 变换器变电压输出的控制 和同步整流技术，详细阐述其主电路的参数设计和控制电路原理设计，给出实 验的结果和实验分析。 第六章是对前面所有理论和实践的总结，并对电源适配器的未来作出展望， 最后提出下一步还要做的工作。 1 5 2 本文的研究意义 本文的研究意义如下：本课题研究的是符合下一代笔记本电脑要求的电源 适配器的技术，现在处于一个起步阶段。本课题的研究将为下代笔记本电脑 的电源适配器的研究打下理论基础，同时该方案也可用于类似的应用场合，如 通信电源等。 本课题得到江苏领先电子有限公司资助。 南京航空航天大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章一种新型两级式1 2 0 w 电源适配器 根据规定，1 2 0 w 的电源适配器必须有p f c 功能。由于两级式方案功率因数 高，电流谐波小，动态响应速度快，本电源适配器采用两级式方案。 本章将提出一种新型两级式方案，详细分析其工作原理，推导关键公式， 为后面的设计打下基础。 2 2 新型两级式方案 两级式方案的前级为p f c 级，后级为d c d c 级。 2 2 1 p f c 级 实现p f c 的方法有许多种，拓扑可采用b o o s t 、f l y b a c k 、s e p i c 、b u c k b o o s t 等，由于b o o s t 变换器结构简单，输入电流脉动小，选择b o o s t 变换器作为p f c 级的拓扑； 根据电感电流的模式，b o o s t 变换器可工作在电感电流连续模式、断续模式 和临界连续模式。在电流连续模式下，功率因数高，输入电流脉动和有效值小， 但是开关管是硬开通，二极管硬关断，有反向恢复的问题。在电流断续模式中， 开关管零电流开通，二极管零电流关断，没有反向恢复的问题。但是输入电流 脉动和有效值较大，而且功率因数较低。在临界连续模式下，开关管零电流开 通，二极管零电流关断，没有反向恢复的问题，而且功率因数高。但是开关频 率是变频的。由于功率较小，综合考虑选择i 临界连续模式。 为了提高低输入电压时电源适配器的效率，p f c 级采用输出电压跟随输入 电压变化而线性变化的控制策略。 2 2 2d c d c 级 d c d c 变换器考虑到输入电压范围宽，因此采用反激变换器。但是单个反 1 2 0 w 笔记本电脑电源适配器的研制 激变换器传输1 2 0 w 的功率，其变压器的损耗较大，温升很高，并且变压器的体 积也比较大【1 8 。为了减小体积、重量和输入、输出电流纹波，本文采用两个反 激变换器交错并联的方案，每一路反激变换器只传输6 0 w 的功率。为避免反激 变换器整流管反向恢复问题，采用反激变换器采用电流断续工作模式。 图2l 为提出的新型两级式变换器的主功率电路图。p f c 级采用b o o s t 变换 器，由整流桥r b 、电感l b 、开关管s b 、二极管d b 和电容c b 构成。d c d c 级 采用交错并联反激变换器，变压器t l 、开关管q l 、q 2 和输出电容c f 构成一路 反激变换器，变压器t z 、开关管q 3 、q 4 和输出电容c f 构成另一路反激变换器， 其中q 2 和q 。为同步整流管，c f 为共用的输出电容。 2 3 工作原理 本节将分别详细分析两级变换器的工作原理，为分析方便，先做如下假设 1 ) 所有开关管、二极管、电容、电感均为理想元器件； 2 ) 输出电容c b 、c f 足够大； 3 ) 变压器t l 、t 2 的励磁电感、变压器原副边变比完全相同； 4 ) 变换器的效率为1 。 l bd b 厂y “却，lr l 。 l 了 h 獯a 一 上之 l +t 事 上 d r q m 2 - w q 占 屯 奉 。寸 ：= c b 忑 匠 r鼍一 k 一、l pfc级dcdc级 图21 两级式变换器主功率电路图 南京航空航天人学硕士学位论文 2 , 3 1p f c 级工作原理【：1 9 】【2 0 图2 2 是b o o s t 变换器电路图与电感电流临界连续模式的主要波形图。其工 作原理为：在一个开关周期内，电感电流i 删为零时，二极管d b 关断，c l h j + 丌 通开关管s 。，如由零开始线性增加，当它达到整流桥输出母线的电压采样信号 时，关断s b ，d b 开通，吐占由最大值线性下降到零。整流桥输出电压的一个周期 由多个开关周期组成。在每个开关周期内，i l s 的平均值跟随整流桥输出电压波 形，因此实现了p f c 的功能。下面将详细分析各参数的关系和表达式。 l bd b j 。t d j l b i d b c b _ 奉 vs bc 8 弋 o ( a ) b o o s t 变换器电路图( b ) 电感电流临界连续模式的主要波形图 图2 2b o o s t 变换器电路图和主要波形图 2 3 1 1b o o s t 变换器开关频率 b o o s t 变换器在一个开关周期内的电感电流波形如图2 3 所示。在开关管s b 导通期间，输入电压加在电感l b 上，电感电流以v g l b 的斜率线性增加： “垆苦r ( 2 1 ) 当电感电流i 日达到它的峰值电流i l b j t 时，关断s b ，则导通时间t o n 为： ：毕 ( 22 ) 1 2 0 w 笔记本电脑电源适配器的研制 图2 , 3b o o s t 变换器电感电流 电感电流峰值i s 础为电感电流平均值的两倍，则： 么一肿：2 压一一ms i n ( 纠) ：2 - , 丐2 e , , s i n ( c 。o ( 23 ) m r m s 式中 i nr m s 为输入电流有效值，。为输入交流电压的角频率，p 。为输入功率， v 。r m s 为输入电压有效值。 整流桥输出电压瞬时值v 。为： v g = 矗- y 。一m - s i n ( c o t )( 24 ) 将式( 2 3 ) 和( 2 4 ) 代入式( 2 2 ) ，则： p 2 2 k 产( 2 5 ) 式( 25 ) 表明：在输入功率和输入电压一定时，开关管的导通时间在整流桥输 出电压的周期内是固定的。 在s b 关断期间，电感电流i l b 通过d b 给输出电容c b 和负载提供能量。电 感电流以一( v 。- 瞄，l b 的斜率线性减小到0 。 k = i l b l p k i 一毕f( 2 6 ) f l 8 ( f )一上_ 量f ( 2 6 ) l , b 电感电流峰值在一个开关周期内的表达式： 则 k 少旷t v g r o a r = 鼍乎 ( 2 ，) 南京航空航天人学硕士学位论文 ：兰立正，。 t s 2 t 。q 七r o f f 2 ：2 t o - f r g 由( 2 6 ) 和( 2 9 ) 可得开关管的关断时间为： = 等2 谤瓦 由式( 2 _ 2 ) 和( 2 1 0 ) 可得开关周期t s 为： 耳= + 2 k k 肚丽v o 将式( 2 3 ) 和( 2 4 ) 代入( 2 11 ) ，可得： 瑶= 则b o o s t 变换器的开关频率为： 工= 景”学， 其输出电压与输入电压的关系为： ( 2 8 ) f 2 9 1 ( 21 0 ) ( 2 1 1 ) r 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 圪= 高 ( 2 1 4 ) 式( 21 3 ) * d ( 2 1 4 ) 表明：当输出电压变小，其他条件不变的情况下，b o o s t 变 换器的开关频率将变大，占空比d 变小。 2 3 1 2b o o s t 变换器电感电流有效值 参考图2 3 ，电感电流扔在一个开关周期内的有效值为 。耵! j o i霉而lat+jto嘲111,pk d t = 等仁 丽熬嘶 2 0 w 笔记本电脑电源适配器的研制 将( 2 3 ) 代入( 2 1 5 ) 得： k t 以信去s i n ( 酬) ( 2 f 1 6 ) 那么在一一个整流桥输出电压的周期内，电感电流i l b 的有效值为： i r b _ c m s = 压而 b 式中i 。= 2 衫彩，是交流输入电压的周期。整流后的电压的周期是交流输入电压 周期的一半，因此在计算电感电流i 日的有效值时，积分时间为t u n e 2 。 将式( 2 15 ) 代入式( 2 17 ) 得： 即 = 2 f r , , 212厚-2p,sin(cot)12d t k 一专忐 v)rmr m q 2 3 1 _ 3b o o s t 变换器开关管的有效值 ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) s b 的电流在一个开关周期内的表达式为： ： 么j 毒 “o q t 0 w ( 2 2 0 ) 【0；( t o n t t s ) s b 的电流在一个开关周期内的有效值为： s b _ 1 6 。s _ t s 肛丽= 厨巧= 悟_ b z t ， 电感电流临界连续模式b o o s t 变换器的输入、输出电压的关系适合连续模式 的输入、输出电压关系，因此 南京航空航天大学硕士学位论文 飞 i ， 乒学， 2 2 圪 4 3 v , 。r m s 7 _ p 2 、2 = 二旦l s i n ( c o t ) v 。， 。 s。i。n。2。11(+o。)。t。)。1。111。11。1。s。i。n。(。c。o。o。l 在一个交流输入电压的1 2 周期内，s b 的电流有效值为： = 压而 2 己 3 m厚13 疗, v o 2 3 1 4b o o s t 变换器二极管电流平均值和有效值 ( 2 2 2 ) f 22 3 ) f 2 ，2 4 ) 二极管d b 的电流平均值i d b 。是负载电流，即： ，。一。，= 厶，。“= 争 ( 22 5 ) s b 关断期间，曲流过d a ，它以一( v o - v i n ) l b 的斜率线性减小到0 。则 i t ，b ( f ) ：么( 归么掣 0 f ， 在个开关周期内，d b 的电流有效值为 口瓦覃t = 蕊气k f 22 6 ) ( 2 2 7 ) = 得 d d l 2 堑弓心动犯qq犯辱 1 2 0 w 笔记本电脑电源适配器的研制 将式( 2 3 ) 、( 2 10 ) 式代入式( 2 2 7 ) 得 。矿岳造掣= 丁2 4 7 - 丽志c 丽h ：s ， 在一个交流输入电压的1 2 周期内，d b 的电流有效值为 凼为： d b _ r m s = 厨面 眨。， s i n 3 ( c o t ) 。扣n ( c o t ) 一i 1 s i n ( 3 c o t ) 将( 2 2 8 ) 、( 2 3 0 ) 代入( 2 2 9 ) 并化简得： 一4 2 2圪i d bi v i s 2 t 、了赢 2 3 1 5b o o s t 变换器输出电容c b 的有效值 ( 2 3o ) ( 2 3 1 ) 如图2 2 ( a ) 所示，输出电容c b 的电流为d b 的电流与负载电流之差，即： l + c b 2 l d b l l d ( 2 3 2 ) 则c b 电流的有效值为： i c b _ r m s = 岳雨磊 ：辱雨丽石夏磊而 ( 23 3 ) 式中i l d r m s 为负载电流的有效值，它是d c d c 变换器的输入电流有效值。出于 南京航空航天大学硕十学位论文 二檄管电流j 脚( r ) 和负载( 一般为p w m 型d c d c 变换器) 电流屯。( 0 一般不能同 步，丢r “2 ( 畛。( ，) 斫的求解比较困难，但可以确定： l s 玉0 i 。2 + i i 0 ( 23 4 ) 将式( 2 31 ) 代入式( 2 3 4 ) 可得： i c 8 r m s - - 羼；3 2 4 7 一。p , o 2 b ，s ， 如果负载为纯阻性负载，则： = 压ii 2 孑砭2 v o 石 b ，s ， 将i d b _ 。= i o = v 。r l d 和式( 2 3 1 ) 代入上式，得： f 3 2 , , f 2 # h 2 ( r o d ) 2 _ 2 3 1 6b o o s t 变换器输出电压的纹波 输出电容的纹波分为两部分：1 ) b o o s t 变换器电 感电流的脉动造成电源输出电容的纹波就是传统的 开关纹波，同时电容的寄生电阻f e q u i v a l e n t s e r i e s r e s i s t a n c e ，e s r ) 也是造成开关纹波的一个方面。电 容的等效电路如图2 4 所示，在开关管关断期间，电 感电流幻流过二极管向负载和输出电容供电，这时 c 8 的电压的开关纹波为： 肥蛳h 心】出) 2 + , o b ( t ) - v o r 。a e s r 2 ( 2 ，3 7 ) 图2 4 电容等效电路 在开关管开通期间，输 1 2 0 w 笔汜本电脑电源适配器的研制 出电容c b 向负载提供所需的电流，这时c b 的电压开关纹波为 1 i ：去等h 兹删 2 上面的结论是基张一个开关周期内，p f c 级 输入输出的能量是平衡的，输出电容的电压只有开关频率的纹波。事实上，对 于p f c 输出电容的电压有一个固有的低频纹波在上面。因为p f c 级的输入电压 和电流是同相位的正弦波，其输入功率是正弦波形的平方。即： 乓( 。= 2 。一簟s i n 甜，2 l 一一s i n 耐 ( 2 3 8 ) = 2 gr m s j ? 。w s 。s i n l t 0 ) 1 ) 如果假设变换器的效率为l ，p f c 级的输出功率等于输入功率的平均值，输 出电容c b 补偿p f c 级的输入、输出功率瞬时不匹配的能量。图2 5 是输出电容 c b 电压纹波的关键波形。因为开关频率纹波远远小于低频纹波，计算低频的纹 波时可忽略开关纹波。 从图2 5 可看出：在1 8 t i m e 到3 8 t i i 。内，电容电压从最低电压( k a f o 2 ) 充至最高电压( k + a 矿o 2 ) ，则在这期间输出电容获得的能量为： e = 联8 聃弦联8 批一。_ n _ 1 1 m s s i n z ( c o t ) d t 一己 邓+ 争等竽c 荨棚圪 乒。忒 夕 r f j 弋弋一 r f 熔 v ，= 、：、 e = 夕q = = ye = 7 0i 4 1 23 t 4l5 4 3 2 瓦，。 图2 5 输出电压纹波关键波形 ( 2 3 9 ) 南京航空航大大学硕士学位论史 输出电容电压从最低电压充到最高电压需要的能量为 则 即 e ：l c , v o + 华) 2 一丢g ( 圪一了a v o ) 2 = c a - 圪圪 ( 2 4 0 ) 嗉+ 云叫已蚂v o 馘 岈矗e 去+ 乞棚 2 3 2d c d c 级工作原理 2 2 f 2 4 n ( 24 2 ) 图2 6 是交错并联反激变换器的主电路及其主要波形。q 1 、q 3 相差1 8 0 。导 通，每一路都工作在断续工作模式。在一一个开关周期内，有六个开关摸态。它 与单路反激变换器的区别是输入、输出电流倍频，每一路反激变换器都传输总 输出功率一半的功率。两路反激变换器的工作原理是一样的，下面以上面一个 反激变换器为例进行分析吲。 t 。ot p l 吲 冈罔厂 【。乡1l 刎，期，! ：jr 门h“! 广厂 i l 卜 _r 、 t ( a ) 主电路图( b ) 主要波形 图2 , 6 交错并联反激变换器与主要波形 9 1 2 0 w 笔记本电脑电源适配器的研制 图2 7 电感断续模式下反激变换器的变压器原副边电流波形 在电流断续模式下，反激变换器变压器原副边电流波形如图2 7 所示，在 个开关周期内，原边电感电流0 ，的表达式如下： 铲心1 式中l 。l 是变压器t 1 原边励磁电感。 屯有效值为： ；f o ，d 瓦】 ；t d 瓦，五 ( 2 4 3 ) 。一。= 厢瓦= 压f ) 1 斟础= 警再 亿a 。， 式中d 是反激变换器的占空比，d = t 。t s 。 在一个开关周期内，一路反激变换器的输入功率设为p 。，则 乓= 丢，f t 击= 去r 珐( 2 ，k p = 丘乏芝 该变换器在一个开关周期内的输出功率p 。为： 只= k ，i 。 式中v 。和i 。分别为输出电压和输出电流。 假定变换器的变换效率为1 0 0 ，那么有： 圪= p j 将式( 2 4 5 ) , 1 ：1 ( 2 4 6 ) 代入式( 2 4 7 ) ，可得： ( 2 ，4 5 ) ( 24 6 ) ( 2 4 7 ) 南京航空航天大学硕士学位论文 则 掣：，f ， 1 i 圪= 瓮警 ( 2 4 8 ) ( 2 4 9 ) 上式表明，变换器工作于电流断续模式时，输出电压与负载有关，负载减 轻时，输出电压升高。 原边电感电流峰值为： 一肚：譬蛆 ( 2 5 0 ) 副边电感电流峰值为： ，n _ 一肚= 毕 ( 2 5 1 ) 2 式中n 为变压器原副边变比，l m 2 = 乙m 。n 2 为变压器副边励磁电感。 参考图2 7 ，可知副边电感电流i s 为： 【o ，乙】 ；f 【瓦。，l 。+ 夏 】( 25 2 ) ；f 乙+ t 0 1 。五】 副边电感电流的有效值为： s t l o , t s = j 专胁卉= 譬厩 亿s 。， 为使电路工作在电流断续模式，需保证在开关管q l 的关断时间( 1 - d ) t s 内 副边电感电流下降到零，即： 孙= 等净 ( 1 - d ) 瓦 f 25 4 1 瓦 一 p 生k o o 1 2 0 w 笔记本电脑电源适配器的研制 将式( 25 0 ) 、( 2 5 1 ) 代入( 2 5 4 ) ，可得工作在电流断续模式时反激功率变换器 匝比n 应满足的关系： h 旦( 1 - d ) 丘v o 倘1 一。， 这个关系是反激变换器工作在电流断续模式的个必要条件。 2 3 2 1 反激变换器变压器的设计 为确保变压器的励磁电感电流工作在断续模式，则在低输入电压、满载时 变换器至少工作在临界电流连续模式，在临界电流连续模式时，由输入输出电 压关系可得： 肚最n 亿s s ， k + ” 巴= 鲁= 知2 正= 糍 b s ， 式中n 是反激变换器的效率。 由上式可得变压器的励磁电感： 小酱 ( 2 5 8 ) 原边开关管电压应力为： = + b 圪 f 2 5 9 ) 副边整流管电压应力为： = 加十k( 2 6 0 ) 从式( 2 5 9 ) 和( 2 6 0 ) 可知：匝比i 1 变大，原边开关管的电压应力变大，副边整 流管的电压应力变小；匝比n 变小，原边开关管的电压应力变小，副边整流管 的电压应力变大。因此应综合考虑原边开关管和副边整流管电压应力、价格等 因素来合理选择变压器匝比n 。 南京航空航犬大学硕十学位沦文 2 3 2 2 交错并联反激变换器输入电流 图2 8 是交错并联反激变换器输入电流波形，它的表达式如下 i p o2 图2 8 交错并联反激变换器输入电流波形 ；t 0 , d t s 】 ；t e d t s ，刍 扯粤，享峨， q - 6 ” 非 萼+ 疋】 输入电流i p 。有效值为： l + p o _ r b i s 肛丽= 鼯= 半厚眨s z ， 2 3 2 3 交错并联反激变换器输出电流 图2 9 是交错并联反激变换器输出电流波形，根据负载不同，可分为整流管 导通时间小于t s 2 和整流管导通时间大于t s 2 两种情况。整流管导通时间小于 t s 2 时，交错并联反激变换器输出电流的表达式如下： 争 一 生k。一k。 】2 0 w 笔记本电脑电源适配器的研制 + 呵弘一 ! + 一一一一 ( a ) 整流管导通时间小于t s 2 + 。- l - ( b ) 箍流管导通时间大于t s 2 图2 9 交错并联反激变换器输出电流波形 ；t 【0 ，t 矗】 ；t 号】 批c 孚，喜州 q 6 3 ；l 孚，t s 】 式中l 一肚= v o t o ，i l 2 是输出电流的峰值。 输出电流i o 有效值为： = 厨两= 等蜃 眨s 。， 随着负载的增加，整流管的导通时间增加，当整流管的导通时间大于t s 2 时，交错并联反激变换器输出电流如图2 9p o ) 所示，它的表达式如下： z d = t ( 委+ r ) o 一鲁) ( z 品+ f ) i o ，k 导 舴 t o f - 孚，孚】 胙 娶驯 2 6 5 t 【t o ”t s e 一2 2 2 丘k 生k 一 一 鹏 竹 l o l o 墨k旦k形一k旦k 一 _ 一 _ 醣 晰 肿 雎 一 一 一 一 l l l l 南京航空航天大学硕学位论文 式中l 一肚为输出电流的峰值，表达式为 _ 肚2 等+ 篆( 争= 专( z 啄一争 ( z 舶) 输出电流的平均值为： 。，= 鲁= 镫 式中为整流管在一个开关周期内导通的时间，表达式为： 枷平 输出电流i 。有效值为： 卜。驴瓣丽 矿 ： 1 2 输出电容c b 的纹波有效值为 i 。s = 、瓦蕊