PFC级在大功率笔记本电源适配器设计中应用

PFC级在大功率笔记本电源适配器的研究与设计中的应用摘要：随着信息技术的不断飞速发展，可移动式、便携式电子产品越来越多的进入了我们的生活和工作当中，电源适配器的需求度无形间也得到了人们的重视。

与此同时新一代的笔记本电脑的功能是变得越来越强大，附带的电源需求消耗也越来越大，由此理所当然需要对笔记本电脑电源适配器做出了更强的改进。

本文在150w 笔记本电源适配器课题的研究背景下，并结合功率因数校正技术，提出了两级式方案，前级为pfc级，后级为dc/dc级。

关键词：电源适配器；两级式；功率因数校正
前言：随着电源适配器不可避免的出现，越来越多的方便携带的电子产品走进了我们工作和生活的每一个环节，这里面就包含了笔记本电脑。

根据国际对谐波电流的要求，笔记本的电源适配器超过75w 的需要引入功率因数校正技术。

而本文研究的笔记本适配器为150w，也将加入功率因数校正技术。

新一代电源适配器所面临的主要难题在于：如何减小体积和重量，提高功率因数进而去提高总体效率，符合节约能源的标准。

一、150w电源适配器两级式方案的提出
根据国际对谐波电流的要求，笔记本的电源适配器超过75w 的需要引入功率因数校正技术。

本文研究的笔记本适配器为150w，也必须加入功率因数校正技术。

目前来看，大概只有单级式方案和两级式方案具有pfc功能的电源适配器拓扑结果。

单级式方案是首先将dc/dc变换器与pfc变换器比较合理的集成在一个稳定的电路当中，通过这一套稳定控制电路可以同时对输入电流和输出电压进行调节。

比较下，单级式变换器算得上结构简单，成本低，这是一大优点，但是它的功率因数却偏低，电流谐波更是过大，导致动态响应速度迟钝，而且结构设计非常繁琐。

而两级式变换器是将变换器分为两级：pfc级和dc/dc级，其具有优良的性能，输入电流的总谐波失真度一般小于5%，功率因数较高可以达到0.999；动态响应速度快，本电源适配器采用两级式方案。

根据相关的研究发现下一代笔记本电脑需求的功率为90～150w 左右，故两级式150w的笔记本电源适配器方案的提出是必然趋势了。

二、 pfc级相关理论知识
通过boost、flyback、buck—boost等电路可以实现pfc功能的拓扑结构。

据相关专业知识可知，我们在本实验中必须选择功率因数要高、输出电压被调整的部分高、技术非常成熟、结构相对简单明了、生产成本要低等特点，在综合考虑下，选择了boost变换器作为本次实验中pfc 级的拓扑。

boost变换器根据电感电流的输入和输出模式，可以分为三种工作模式，即：临界连续模式、断续模式和电感电流连续模式。

我们比较这三种模式后发现：临界连续模式下，因为开关管为零电流开通，二极管为零电流关断，所以就不存在反向恢复的问题，进而功率因数会很高；断续模式下工作时，
同样没有反向恢复等一些棘手的问题，但是功率因数却低于了我们可以考虑的范围；电流连续模式下工作时，会有较高的功率因数，但是开关管二极管不可避免的要硬开通和硬关断，这样就同样会导致一些反向恢复等麻烦问题。

考虑到我们现在做实验用的电源适配器功率相对来说比较小，确定临界连续工作模式不失为一个明智的选择。

同时pfc级采用输出电压的线性变化跟随输入电压变化的控制方法，这样就提高了电压输入较低时电源适配器的工作效率。

三、dc/dc级相关理论知识
可想而知，dc/dc 级和pfc级一样，可以有丰富的拓扑结构，常见的有谐振llc 变换器，有源箝位正激变换器，准谐振反激变换器等。

但是只有谐振llc 变换器和谐振反激变换器才适用于大功率。

考虑到世界各地的电子产品对输入电源的要求不同，电源适配器的输入电压不可避免的被要求在（90～265v）范围内。

而llc 谐振变流器通常不适合具有宽范围的电压输入场合，因此采用准谐振反激变换器。

四、 pfc级工作原理
pfc级变换器拓扑结构如图1所示，主要是由整流电路、电感、pwm开关管、二极管和输出电容等组成。

通过上图，我们现在分析一下pfc级是如何工作的：首先，在任意一个开关周期t内，当电感电流il为零时，开关管s立即被导通，此时承受反向电压的二极管d被迫关断，il 此时由零开始
呈线性的逐步增加，当正在增加的il达到临界整流桥输出电压采样信号时，立即关断开关管s，二极管d由于正向电压而导通，il 此时又由最大值逐步线性下降到零。

当然，整流桥输出电压的一个周期必须是由多个开关周期组成的，而在每一个不同开关周期内，开关管导通状态的总时间总是保持不变的，同时il的平均值又是跟随整流桥输出电压的波形，这样就可以实现pfc 需要的功能了。

五、 pfc级变换器主电路参数
pfc级变换器主要作用包含一下两个方面：一个是将电力系统的交流电压转换为380v左右的直流稳定电压；二是将交流输入电流转变为正弦波，从而减小谐振电流，减小对电网的污染。

pfc级变换器主电路参数为电感l=150μh；输入滤波电容采用两个0.6μf 的薄膜电容并联构成；输出滤波电容c2是容量为160μf，耐压为450v 的电解电容以及开关管选择功率场效应管，其耐压等级为500v，最大电流为5a；二极管选择快速恢复二极管作，其耐压等级为600v，最大电流为10a。

并根据配置的数据选择最合适的元器件。

六、 pfc实验结论分析
仿真通过matlab仿真软件进行，在满载条件下，输入电压为220v 时可以测得pfc输入电流和输入电压波形正如图2所示。

pfc级输出电流波形和输出电压波形如图3和4所示。

从以上仿真波形图，我们可以大致得到以下结论：在整个输入电压范围内，输入电压的波形总是可以让输入电流保持与其等相位
的正弦波，由此可以确定，在crm 模式下，pfc 电路确实可以实现很高的功率因数。

并且功率因数均大于90%，从图3可以看出输出电流基本恒定不变，从图4可以看出输出电压在0.2s后基本稳定在400v附近，说明该系统能够保持稳定的输出电压，仿真结果与设计目的一致。

参考文献
[1] 卢克.绿色计算机的设计技术.计算机工程.1994，20：9-12.
[2] 周志敏等.逆变电源实用技术—设计与应用.中国电力出版社，2005.3
[3] 张占松.高频开关稳压电源.广州：广东科技出版社，1992.4.
[4] 陈坚.电力电子学.北京，高等教育出版社，2004，12.
[5] 阮新波等.脉宽调制dc/dc全桥变换器的软开关技术.北京：科学出版社，1999.9.
[6] 李冬，阮新波.高效率的boost型功率因数校正预调节器.中国电机工程学报.2004.
[7] 程永华，杨成林，徐德鸿.基于dsp变压变频电源设计.电力电子技术.2003，10.
[8] 潘新民等编著.微型计算机控制技术实用教程.北京：电子工业出版社，2006.1.
[9] 张靖武等.单片机系统的proteus设计与仿真.北京：电子
工业出版社，2007.
[10] 彭政. 120w笔记本电脑电源适配器的研制. 南京：南京航空航天大学，2005.
[11] 孙国祉. 电子技术. 北京：机械工业出版社，1991.
[12] 许化民. 单级功率因数校正技术. 南京航空航天大学博
士学位论文，2001.
[13] 刘丽娟.90w 笔记本电源适配器的研究与设计. 西安：西安科技大学，2011.
[14] dai n.effect of powing low-voltage high-current load on components from powing design perspectives.in proc.ieee apec 2000，pp.803-807.。