一种200kHz200W环保型开关电源

一种200kHz/200W环保型开关电源

1引言

当今，对额定功率200W以上的高频实用型开关电源在进行环保性能评估方面都或多或少地存在一些麻烦。它们要么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。要解决这些问题，一个途径是找寻新的性能更先进的变换器拓扑，另一途径就是选择新工艺，新器件以尽可能满足环保性能评估的要求。

近年来国外某些知名半导体公司花了不少力气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上述问题的一揽子器件。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。

作为范例，本文拟向读者介绍利用上述器件综合制成的一个工作频率为200kHz，功率为200W的符合环保要求的实用型开关电源。它采用第二代的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。该电源具有宽的输入电压范围(90V～275V)，80％以上的AC/DC变换效率。输出电压有两组:＋5V/20A和＋12V/8.3A，带有输出过载保护和输出短路保护。所有功率器件均无须加散热片，也不要求接最小的输出负载。

2电路方块图

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MOSFETSSPB80N03S2L03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。

3结构／散热片设计

本电源优点之一是体积小。它由两块大小不一的双面PCB板组成。较大的一块（18cm×15cm）为主板，装有各类功率器件和无源元件，并尽量采用占地小的SMD元件。器件没有使用任何散热片，热量的散发是靠

PCB板上的主铜皮将热能传递至下面的一块金属平板实现的。较小的一块（6cm×3cm）为控制板，装有控制电路，并垂直地插入到主板上。

4部件功能描述

4．1电源主板

电源主板原理如图2所示，包括以下几个部分：

（1）AC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（C86，L1，L4，C24，C25，C26,C2）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R30用以抗御来源于电网的高压浪涌。输入电源整流器（D1D4）采用常规的硅二极管。

（2）PFC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，开关管Q1A／Q1B，boost二极管D5和大电解电容C3。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Q1A／Q1B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D5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）。D82为传统的硅二极管，用于从最初的整流电压向电解电容充电，以避免SiC二极管D5在开机瞬间承受过高的浪涌电流。电解电容C3用于贮存能量以降低二次谐波的电压纹波，同时它还必须承受开关频率的电流。电容C3A专用于旁路高频谐波电流。

图1:200WSMPS方块图

图2:200WSMPS主板电原理图

图3变压器结构

（3）PWM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。在初级一侧的主要部分是Q2A／Q2B 和D22／D27。当正激晶体管Q2A／Q2B同时导通时，能量通过变压器传递至输出端。Q2A／Q2B选择具有高开关速度的CoolMOSSPB11N60C2。D22／D27则选EMCON样板二极管。在Q2A／Q2B截止期间，D22／D27是用来钳位变压器磁通复零期间由变压器漏感所生成的反馈尖峰电压。变压器T1由电解电容C3上的直流电压供电并使输出与输入隔离，使用EPCOS出品的RM组合磁芯RM14／N87（见图3），其初级绕组用绞合线Litz，次级用薄铜带绕制。