多媒體設備高效開關電源設計

王碩

（東北電力大學媒體技術與傳播系，吉林 吉林 132012）

開關電源是利用電力電子技術，控制功率管開通和關斷的時間，使輸出電壓穩(wěn)定的一種電源，開關電源一般是脈沖寬度調制（PWM）控制IC和MOSFET控制電路的開關導通構成。開關電源目前發(fā)展的方向是高頻率化，高頻率使開關電源變得越來越小。開關電源的發(fā)展與應用在安防監(jiān)控，節(jié)約能源資源及環(huán)境保護方面都有重要的意義。

1 系統(tǒng)理論分析

設計的目的是在輸入交流電壓Us=18V、輸出直流電流Io=2A條件下，使輸出直流電壓Uo=36V±0.1V，即實現(xiàn)升壓功能，所以采用Boost升壓電路。主控制器采用UC3854，實現(xiàn)較高功率因數(shù)輸出。此平均電流控制的單相Boost功率因數(shù)校正電路，完全能夠達到整流、高輸入功率因數(shù)、升壓，穩(wěn)壓、低紋波的目的。

1.1 功率因數(shù)調整方法

本系統(tǒng)使用UC3854功率因數(shù)調整器，UC3854內部有電壓放大器、電流放大器及乘法器，以進行功率矯正，使功率因數(shù)達到0.99。

1.2 穩(wěn)壓控制方法

本系統(tǒng)采用平均電流控制的單相Boost功率因數(shù)校正電路，在UC3854外圍電路構成雙閉環(huán)，電壓環(huán)電流環(huán)，實時控制電路，實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。

2 硬件系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)主電路設計

當工頻電網(wǎng)輸入220V電壓，經(jīng)過隔離變壓器，然后通過整流濾波生成本設計所需要的電壓，再經(jīng)過Boost升壓電路將輸入電壓泵升到本設計輸出電壓，最后通過輸出濾波，達到輸出穩(wěn)定的直流電壓。其中MCU主控電路主要由單片機電路組成，包括復位電路，1602液晶顯示電路，再輔佐以UC3854功率因數(shù)校正電路，構成了完整電路。

2.2 EMI濾波器

從頻率的角度看，EMI濾波器屬于低通濾波器。它可以毫無衰減地把直流電和工頻電傳送到開關電源，不僅可以衰減從電網(wǎng)帶來的外部的電磁干擾，也可以避免開關電源設備向外部發(fā)出干擾信號，避免影響其他電子設備的工作。

2.3 Boost變換器

2.3.1 升壓電感設計

電感在電路中起著傳遞能量、儲存能量和濾波的作用，并決定了輸入端的高頻紋波電流的總量，因此需要按照限制電流脈動最小的原則來確定電感值。在考慮最差的情況下：輸入的電壓最低，輸出功率最大，此時，輸入的電流最大，紋波也最大，為了保證此時輸入電流紋波仍滿足需求，電感器的設計應該在輸入電壓的最小值時進行。

2.3.2 電容值的計算

選擇輸出電容時要考慮到的因素有：二次諧波紋波電流、直流輸出電壓、開關頻率紋波電流、維持時間、輸出電壓紋波、流過輸出電容器的總電流是開關頻率紋波電流的有效值和線路電流的二次諧波。因此，要選擇長壽命、低漏阻、能忍耐較大紋波電流，而且工作范圍寬的鋁電解電容，并且耐壓的選擇應留有一定的余量，以避免工作時負荷較大。滿足需求，電感器的設計應該在輸入電壓的最小值時進行。

對電流傳感進行檢測通常有兩種方法：其一，選擇兩個不同的電流互感器來對所輸入電流進行檢測。其二，在變換器接地線返回端串聯(lián)一個取樣電阻來對輸入電流進行檢測。取樣電阻對于所需功率較小、輸入電流較少的場合較為適用。雖然取樣電阻和電流互感器同樣適用于輸入電流的檢測，但就使用成本而言，使用取樣電阻來檢測輸入電流要比電流互感器花費相對低些，故本設計中采用了取樣電阻。取樣電阻Rs上的壓降Vs作為輸入電流的取樣，通過電流環(huán)的調節(jié)使輸入電流成正弦波。取樣電阻Rs上的典型電壓值為Vs=1.0V。

2.4 功率因數(shù)檢測電路

使用功率因數(shù)對電路進行測量，通過電壓互感器、電流互感器同比例縮小可為處理的交流電壓弱信號，通過LM393構成過零比較器，LM393的輸入端加了兩個IN4108穩(wěn)壓二極管，將輸入信號控制在-0.7V～0.7V，經(jīng)過零比較器將正弦信號轉變成方波。進入AT89C51單片機，經(jīng)由LCD顯示。

2.5 電流環(huán)設計

此次設計的PFC電路是一個雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的電路。其內環(huán)是電流環(huán)，使輸入電流成正弦波。其外環(huán)是電壓環(huán)，使輸出電壓高于輸入電壓的峰值且保持穩(wěn)定。

電流環(huán)通過調節(jié)MOSFET的占空比，使輸入電流隨著輸入電壓成正弦波變化。由于輸入的電壓是經(jīng)過全波整流，因此其中有豐富的諧波，因此電流控制環(huán)必須有足夠的帶寬，是輸入電流跟蹤全波直流電壓基準。

2.6 電壓環(huán)設計

電壓控制環(huán)由電壓誤差放大器和升壓級組成。

3 結語

本文對多媒體設備電源設計完成了Boost功率因數(shù)矯正電路最初設計，能夠達到整流、高功率因數(shù)、升壓、穩(wěn)壓。對數(shù)控方面及軟開關方面未涉及，如果能加上這兩方面的內容，多媒體設備開關電源一定會變得更加安全、便捷。

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