浅析高效无污染开关电源（1）
摘要：本文阐述了高效、无污染开关电源的电路拓扑结构，介绍了其单元电路的功能和特点。文中重点分析了TDA16888集成电路的内部结构和工作原理。
关键词：开关电源 电路拓扑 TDA1688 工作原理
1.概述
开关电源以其效率高，功率密度高而在电源领域中占主导地位，但传统的开关电源存在一个致命的弱点：功率因数低，一般为0.45～0.75，而且其无功分量基本上为高次谐波，其中三次谐波幅度约为基波幅度的95％，五次谐波幅度约为70％，七次谐波幅度约为45％，九次谐波幅度约为25％。高次谐波的危害很多文献已有论述，不再赘述。针对高次谐波的危害，从1992年起国际上开始以立法的形式限制高次谐波，为了限制总的谐波含量（THD）以提高功率因数，制定了许多标准，如IEC1000.3.2。近年来，如何提高功率因数成为了电力电子领域研究的热点，提出了许多有源PFC电路。有两种功率因数校正方案，其一是采用控制输入电流使其接近正弦，这种方案中电路工作在连续导电模式(CCM),通常要求双闭环控制，由于对输入电流、电压及输出电压取样，这种方案比较复杂，成本高，限制了该方法的使用。另一种方案是采用电压跟随（VoltageFollower）方式，电路通常工作在不连续导电模式(DCM)，开关由输出电压误差信号控制，这种PFC方案仅需要一个电压控制环，这种方案相对简单，引起了研究人员的广泛关注。
当今，对额定功率200W以上的高频实用型开关电源在进行性能评估，普遍存在一些问题。要么EMI噪声较大，要么输入电流谐波超标或者在一定的功率封装密度下温度特性不好，可靠性差等等。近年来国外某些知名半导体公司加大投入，进行器件技术的改造并研发出一系列有针对性的性能优越的新器件。例如前身为SIEMENS的INFINEON公司近年陆续地推出专用于解决高频开关电源存在上述问题的器件。它们包括耐高压600V，低导通电阻（RDSON）的COOLMOS管（高频运用时温升极低，适用作BOOST开关），大电流低耐压且小RDSON的OPTIMOS管（特适用于BUCK变换器），PFC-PWM双合一ICTDA16888（可节省空间和元件），耐高压（600V）SIC肖特基二极管（特适用于作BOOST二极管）等等。这些器件都有专门特性，如果在开关电源设计中使用得当，就会事半功倍地解决问题，而且成本也得到控制。
采用第二代的COOLMOSC2作为PFC和PWM的功率开关，采用SIC肖特基二极管作为PFC二极管，OPTIMOS作为同步整流开关，PFC和PWM的控制由同一块ICTDA16888实现的开关电源。具有宽的输入电压范围(90V～275V)，高的变换效率和工作的可靠性。
2.电路结构
图1示出整体电源的工作框图。它是由PFC和PWM两部分组成。第一部分是一个用于功率因数校正（PFC）的AC／DC变换器，第二部分是由两个功率开关管组成的正激式脉冲宽度调制（PWM）的DC／DC变换器。PFC级是一个BOOST升压变换器，它的作用是在其输出端提供一个380VD.C.而同时在输入端保持输入电流为正弦波以获得功率因数近似等于1。PFC级另一个特点是可以让电源工作在宽电压输入范围（90V～275V）而无须再加入使整流电路重新配置的电压范围开关。所用的功率器件是两个并联运用的COOLMOS型SPB11N60C2以及一个SIC肖特基二极管SDB06S60（6A／600V）。
双管正激式变换器通过耦合变压器T1实施与电网的隔离。在变压器初级，功率器件是两个COOLMOSSPB11N60C2和两个EMCON二极管SDD04E60（4A／600V）。次级有两组输出（5VD.C.和12VD.C.），但它们的整流原理有所不同。12V输出使用的是传统肖特基二极管整流电路，而5V输出则使用低压MOSFETSSPB80N03S2L-03作同步整流来实现。 PFC和PWM两部分的功能控制均由一单片集成电路TDA16888来完成。
2.1AC输入／EMI滤波器
SMPS的输入电压是90V～275V（50Hz／60Hz），保险丝用以在电路发生故障时，防止电源进一步损坏。输入EMI滤波器用以抑制由两功率开关转换时所产生的高频噪声。压敏电阻用以抗御来源于电网的高压浪涌。输入电源整流器采用常规的硅二极管。
2.2PFC变换器
这是一个具有连续电感电流流过全负载的BOOST升压变换器拓扑。开关频率为200KHZ。输出电压近似为380VD.C.。PFC的核心部分是BOOST电感器L2，为了减少寄生电容，L2是利用单根铜线在一个环形铁粉芯上绕制一层而成。并联管是用COOLMOS新工艺做的SPB11N60C2，它们具有高的开关速度和极低的通态电阻，这一优点在90V低输入时，因电路处在大电流和高占空比运行，所以就显得特别重要。双管并联的目的仅仅是为了扩大散热面积以便使PCB板上的热分布比较均衡。BOOST二极管是一个600VSIC肖特基二极管，因它没有电荷贮存而具有非常好的开关特性（没有反向恢复而且没有温度对开关特性的干扰）。
2.3PWM变换器（双管正激式）
PWM变换器是一个双管正激式变换器拓扑。其运行频率也为200KHZ。
2.4同步整流
在5V通道中使用了由三个低压30V／80A的OPTIMOSSPB80N03S2L-03做成的同步整流器。其控制信号由次级产生。两个OPTIMOSQ19和Q19A是并联的，它们共同提供“低态”PWM的续流电流通道。而OPTIMOSQ21则作为串联整流之用。在变压器初级复位瞬间，PWM脉冲输出消失，同步整流器Q19／Q19A通过Q18的体二极管续流导通。当初级转变为导通时，Q18的栅极（早先处于负偏）受到次级绕组电压经电阻R97的驱动，Q18导通使Q19／Q19A截止。而Q21则在R96，L3A和L3B的联动作用下变为导通，开始新一轮的同步整流周期。