PFC電路與BOOST電路設(shè)計(jì)實(shí)例解析課件

BOOST電路功率因素校正（PFC）基于Boost電路的PFC變換器及其控制方法PFC典型芯片UC3854介紹基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例1BOOST電路功率因素校正（PFC）1功率因素校正-諧波的危害2功率因素校正-諧波的危害2功率因素校正-諧波的危害傳統(tǒng)的AC-DC變換器和開關(guān)電源，其輸入電路普遍采用了全橋二極管整流，輸出端直接接到大電容濾波器。雖然不可控整流器電路簡單可靠，但它們產(chǎn)生高峰值電流，使輸入端電流波形發(fā)生畸變，使交流電網(wǎng)一側(cè)的功率因素下降到0.5~0.65，無功損耗過大。因此我們必須引入功率因素較正

3功率因素校正-諧波的危害傳統(tǒng)的AC-DC變換器和開關(guān)電源，其功率因數(shù)和功率因數(shù)校正

功率因數(shù)的定義功率因數(shù)校正的任務(wù)正弦化，使電流失真因數(shù)同相位，使相移因數(shù)4功率因數(shù)和功率因數(shù)校正功率因數(shù)的定義功率因數(shù)校正的任務(wù)功率因素校正（PFC）功率因素校正PFC是十幾年電源技術(shù)進(jìn)步的重大領(lǐng)域，它的基本原理是：是電源輸入電流實(shí)現(xiàn)正弦波，正弦化就是要使其諧波為零，電流失真因數(shù)保證電流相位與輸入電壓保持同相位，兩波形同相位，相移因數(shù)

最終實(shí)現(xiàn)功率因素PF=1的設(shè)計(jì)工作目標(biāo)5功率因素校正（PFC）功率因素校正PFC是十幾年電源技術(shù)進(jìn)步功率因素校正（PFC）兩種主要的功率因素校正的方法1)無源PFC技術(shù)2)有源PFC技術(shù)6功率因素校正（PFC）兩種主要的功率因素校正的方法6功率因素校正（PFC）單管功率因素校正變換器的概念

只用一個(gè)主開關(guān)管，可使功率因數(shù)校正到0.8以上，并使輸出直流電壓可調(diào)，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)稱為單管單級PFC變換器。7功率因素校正（PFC）單管功率因素校正變換器的概念7功率因素校正（PFC）單管功率因素校正變換器的電路類型BuckBoostBoost-BuckZetaCukSepic8功率因素校正（PFC）單管功率因素校正變換器的電路類BOOST電路功率因素校正（PFC）基于Boost電路的PFC變換器及其控制方法PFC典型芯片UC3854介紹基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例9BOOST電路功率因素校正（PFC）9功率因素校正（PFC）基于Boost電路的PFC變換器的提出

Boost用于PFC的優(yōu)勢

1.Boost可工作在三種模態(tài)CCM,BCM,DCM2.儲能電感又是濾波器，可抑制電磁干擾EMI和射頻干擾RFI電流波形失真小3.輸出功率大 4.共源極可簡化驅(qū)動電路等優(yōu)點(diǎn)

10功率因素校正（PFC）基于Boost電路的PFC變換器的提基于Boost電路的PFC變換器及其控制方法-概述CCMDCMBCM11基于Boost電路的PFC變換器及其控制方法-概述CCM11基于Boost電路的PFC變換器及其控制方法——DCMDCM假定在穩(wěn)態(tài)條件下，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，MOS管的導(dǎo)通時(shí)間為Ton，輸入電壓為Ui，電感電流為i，電感電流峰值為，電感量為L，電感電流達(dá)到峰值時(shí)，對應(yīng)的輸入電壓為。則在MOS管導(dǎo)通期間，有：

其中，，因此

如果輸入周期內(nèi)各開關(guān)周期的占空比近似不變時(shí)，電感電流的峰值與輸入電壓成正比。因此，輸入電流波形自然跟隨輸入電壓波形，電路不需要電流控制環(huán)即可實(shí)現(xiàn)PFC功能。12基于Boost電路的PFC變換器及其控制方法——DCMDCM基于Boost電路的PFC變換器及其控制方法——DCMDCM的關(guān)鍵

要想保證電路在一定電壓范圍內(nèi)處于斷續(xù)模式，關(guān)鍵是電感量的設(shè)計(jì)，下面給出電感量設(shè)計(jì)的最終公式：

d1其中為MOS管導(dǎo)通占空比，d2為續(xù)流二極管導(dǎo)通占空比，L為電感量，fs為開關(guān)頻率，Po為輸出功率，mmin為Vo/Vin

13基于Boost電路的PFC變換器及其控制方法——DCMDCM基于Boost電路的PFC變換器及其控制方法——DCM要保證電感電流斷續(xù)，必須滿足d1+d2<1隨著mmin=Vo/Vin的增加，d1+d2先減小后增大因此在輸入電壓較小與較大時(shí)均會使電感電流趨于連續(xù)通常在斷續(xù)模式下的電感量設(shè)計(jì)中按最低輸入電壓時(shí)確參數(shù)。

DCM的d參數(shù)與mmin的關(guān)系曲線14基于Boost電路的PFC變換器及其控制方法——DCM要保證基于Boost電路的PFC變換器及其控制方法——BCMBCM

一般采用變頻控制，在固定功率開關(guān)管開啟時(shí)間的條件下，調(diào)整開關(guān)管的關(guān)斷時(shí)間，使電感始終處于臨界導(dǎo)電模式，可獲得單位功率因數(shù)，適用于中小功率場合。開關(guān)頻率不固定（變頻），功率管導(dǎo)通時(shí)間固定。

15基于Boost電路的PFC變換器及其控制方法——BCMBCM基于Boost電路的PFC變換器及其控制方法——CCMCCM電感電流連續(xù)時(shí)可以選擇多種控制方法，如：峰值電流控制、滯環(huán)電流控制、平均電流控制和單周期控制等，適用于大功率場合，開關(guān)頻率可以恒定（如平均電流控制等（定頻）），也可以變化（如滯環(huán)控制（變頻））。16基于Boost電路的PFC變換器及其控制方法——CCMCCM基于Boost電路的PFC變換器及其控制方法-總結(jié)

DCM

輸入電流自動跟蹤輸入電壓，控制簡單，僅需一個(gè)電壓環(huán)，成本低，電感量小，主管ZCS，續(xù)流管無反向恢復(fù)問題,定頻工作，適合小功率用電設(shè)備

。

BCM輸入電流自動跟蹤輸入電壓，電感量小，一般采用變頻控制，在固定功率開關(guān)管開啟時(shí)間的條件下，調(diào)整開關(guān)管的關(guān)斷時(shí)間，使電感始終處于臨界導(dǎo)電模式，可獲得單位功率因數(shù)，但是濾波器設(shè)計(jì)困難，適用于中小功率場合。

CCM 常用的有電流峰值控制法、電流滯環(huán)控制法或平均電流控制法，可以定頻，也可以變頻，高功率因素，要用到乘法器，控制相對復(fù)雜，成本高。適用于大功率場合。

17基于Boost電路的PFC變換器及其控制方法-總結(jié)D基于Boost電路的PFC變換器及其控制方法——CCM概述

通常情況下，電感電流連續(xù)時(shí)的控制電路都需要有一個(gè)模擬乘法器和電流檢測環(huán)路，與輸出電壓的反饋信號一起調(diào)制功率開關(guān)管的控制信號，其中模擬乘法器的精度將影響PF值和輸入電流諧波含量THD。示意圖圖下，18基于Boost電路的PFC變換器及其控制方法——CCM概述基于Boost電路的PFC變換器及其控制方法——CCMCCM狀態(tài)下控制方式1.峰值電流控制2.平均電流控制3.滯環(huán)控制4.單周期控制19基于Boost電路的PFC變換器及其控制方法——CCMCCMPFC控制方法——CCM-PeakCurrentControl1.峰值電流控制峰值電流控制的原理框圖如下:20PFC控制方法——CCM-PeakCurrentContPFC控制方法——CCM-PeakCurrentControl

當(dāng)電感電流達(dá)到電流基準(zhǔn)以前，開關(guān)一直處于導(dǎo)通的狀態(tài)電流基準(zhǔn)是由全波整流電壓的采樣值與電壓環(huán)誤差放大器的輸出乘積決定的，一旦當(dāng)電感電流達(dá)到電流基準(zhǔn)，經(jīng)比較器輸出一關(guān)斷信號，使開關(guān)管截止以后由定頻時(shí)鐘再次開通開關(guān)，如此進(jìn)行周期性變化電感電流的峰值包絡(luò)線跟蹤整流電壓Vdc的波形，使輸入電流與輸入電壓同相位，并接近正弦波21PFC控制方法——CCM-PeakCurrentContPFC控制方法——CCM-PeakCurrentControl小結(jié)

峰值電流控制的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)容易，缺點(diǎn)是當(dāng)交流電網(wǎng)電壓從零變化到峰值時(shí)，其占空比由最大值(通常為95%)變化到最小值(峰值電網(wǎng)電壓附近)。在占空比>50%時(shí)，電流環(huán)會產(chǎn)生次諧波振蕩現(xiàn)象，這種現(xiàn)象常出現(xiàn)在恒頻PWMDC/DC變換器中，因此，這個(gè)電路中也會發(fā)生這種現(xiàn)象。為了克服這一現(xiàn)象，必須在比較器的輸人端加一斜坡補(bǔ)償函數(shù)，但有時(shí)即使斜坡補(bǔ)償后仍然不太理想。22PFC控制方法——CCM-PeakCurrentContPFC控制方法——CCM-AverageCurrentControl2.平均電流控制平均電流控制的原理框圖入下23PFC控制方法——CCM-AverageCurrentCPFC控制方法——CCM-AverageCurrentControl

24PFC控制方法——CCM-AverageCurrentCPFC控制方法——CCM-AverageCurrentControl平均電流控制的優(yōu)點(diǎn)電流環(huán)有較高的增益帶寬跟蹤誤差小瞬態(tài)特性較好THD(<5%)和EMI小對噪聲不敏感開關(guān)頻率固定適用于大功率應(yīng)用場合，是目前PFC中應(yīng)用最多的一種控制方式。25PFC控制方法——CCM-AverageCurrentCPFC控制方法——CCM-HystereticCurrentControl3.滯環(huán)電流控制滯環(huán)電流控制的原理框圖如下26PFC控制方法——CCM-HystereticCurrenPFC控制方法——CCM-HystereticCurrentControl

電壓外環(huán)的作用是為滯環(huán)控制單元提供瞬時(shí)電流參考信號，作為滯環(huán)邏輯控制器的輸入所檢測的輸入電壓經(jīng)分壓后，產(chǎn)生兩個(gè)基準(zhǔn)電流：上限值與下限值當(dāng)電感電流達(dá)基準(zhǔn)下限值時(shí)，開關(guān)管導(dǎo)通，電感電流上升，當(dāng)電感電流達(dá)基準(zhǔn)上限值時(shí)，開關(guān)管關(guān)斷，電感電流下降電流滯環(huán)寬度決定了電流紋波大小.開關(guān)頻率由環(huán)寬決定（變頻）27PFC控制方法——CCM-HystereticCurrenPFC控制方法——CCM-HystereticCurrentControl優(yōu)點(diǎn)電流環(huán)帶寬高具有很強(qiáng)且具有很強(qiáng)的魯棒性和快速動態(tài)響應(yīng)能力電流跟蹤誤差小硬件實(shí)現(xiàn)容易。缺點(diǎn)負(fù)載大小對開關(guān)頻率影響較大不利于設(shè)計(jì)輸出濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

目前，關(guān)于滯環(huán)電流控制的改進(jìn)方案研究還很活躍，目的在于實(shí)現(xiàn)恒頻控制（通過實(shí)時(shí)的改變環(huán)寬），將其他控制方法與滯環(huán)電流控制相結(jié)合是發(fā)展方向之一28PFC控制方法——CCM-HystereticCurrenPFC控制方法——CCM-OneCycleControl4.單周期控制單周期控制是一種新型的非線性控制策略，首先用于BUCK變換器在輸入或輸出跳變時(shí)，單周期控制可以在一個(gè)開關(guān)周期實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)，較大提高系統(tǒng)的動態(tài)性能進(jìn)而擴(kuò)展到各種應(yīng)用場合，如功率因數(shù)校正、有源濾波、整流器等

29PFC控制方法——CCM-OneCycleControPFC控制方法——CCM-OneCycleControl單周期控制的基本思想是在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)令開關(guān)變量的平均值與控制參考量相等或成比例單周期控制的優(yōu)點(diǎn)是能夠自動消除一個(gè)周期內(nèi)的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)誤差，動態(tài)響應(yīng)快；且由于頻率固定，適宜于PWM控制30PFC控制方法——CCM-OneCycleControPFC控制方法——CCM-OneCycleControl單周期控制是一種不需要乘法器的控制方法，取而代之的是一個(gè)復(fù)位積分器，如上圖所示。其中時(shí)間常數(shù)RC等于RS觸發(fā)器的Clock時(shí)鐘周期，因此有如下關(guān)系：（1）d為積分時(shí)間占空比。

31PFC控制方法——CCM-OneCycleControPFC控制方法——CCM-OneCycleControl功率因素校正的目的是使輸入電流跟蹤輸入電壓，變化器等效電阻為線性，有：(2)

為全波整流電壓

令（3）

為電流采樣電阻

由上兩式可得：（4）若輸出濾波電容夠大，輸出電壓Uo可視為恒定值，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)可看出Um也可視為定值因此由(4)可以看出，Boost輸入電流與輸入電壓成比例，從而達(dá)到電流跟蹤電壓的目的

32PFC控制方法——CCM-OneCycleControPFC控制方法——CCM-OneCycleControl一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，Boost變換器輸出電壓與輸入電壓關(guān)系為：(5)為導(dǎo)通時(shí)間占空比由（4）（5）可得控制方程：（6）---------------------------------------------------------------------------------------如果U1＝Um，U2＝Um-RsiL即可用控制電路實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)！

33PFC控制方法——CCM-OneCycleControPFC控制方法——CCM-OneCycleControl單周期控制電路如左圖所示復(fù)位積分器如右圖所示34PFC控制方法——CCM-OneCycleControPFC控制方法——CCM-OneCycleControl優(yōu)點(diǎn)單周控制能優(yōu)化系統(tǒng)響應(yīng)減小畸變和抑制電源干擾反應(yīng)快開關(guān)頻率恒定魯棒性強(qiáng)易于實(shí)現(xiàn)抗電源干擾控制電路簡單35PFC控制方法——CCM-OneCycleControPFC控制方法——CCM-總結(jié)CCM模式下控制策略總結(jié)（1）峰值電流控制：優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)容易，缺點(diǎn)是當(dāng)交流電網(wǎng)電壓從零變化到峰值時(shí)，占空比變化太大。在占空比>50%時(shí)，電流環(huán)會產(chǎn)生次諧波振蕩現(xiàn)象。（2）平均電流控制：優(yōu)點(diǎn)是電流環(huán)有較高的增益帶寬、跟蹤誤差小、瞬態(tài)特性較好、THD(<5%)和EMI小、對噪聲不敏感、開關(guān)頻率固定、適用于大功率應(yīng)用場合，其缺點(diǎn)是參考電流與實(shí)際電流的誤差隨著占空比的變化而變化，從而可能會產(chǎn)生低次電流諧波。（3）滯環(huán)電流控制：優(yōu)點(diǎn)是電流環(huán)帶寬高，具有很強(qiáng)且具有很強(qiáng)的魯棒性和快速動態(tài)響應(yīng)能力，電流跟蹤誤差小，硬件實(shí)現(xiàn)容易。其缺點(diǎn)負(fù)載大小對開關(guān)頻率影響較大，不利于設(shè)計(jì)輸出濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。（4）單周控制：能優(yōu)化系統(tǒng)響應(yīng)、減小畸變和抑制電源干擾，有反應(yīng)快、開關(guān)頻率恒定、魯棒性強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)、抗電源干擾、控制電路簡單等優(yōu)點(diǎn)。36PFC控制方法——CCM-總結(jié)CCM模式下控制策略總結(jié)36上節(jié)內(nèi)容回顧

諧波污染的治理主要途徑：無源電力濾波器（PPF）有源電力濾波器（APF）有源功率因數(shù)校正器（APFC）基于boost的PFCDCMBCM CCM平均電流控制 峰值電流控制 滯環(huán)控制 單周期控制

37上節(jié)內(nèi)容回顧諧波污染的治理主要途徑：37BOOST電路功率因素校正（PFC）基于Boost電路的PFC變換器及其控制方法PFC典型芯片UC3854介紹基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例38BOOST電路功率因素校正（PFC）38PFC典型芯片UC3854介紹概述各引腳功能構(gòu)成內(nèi)部結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)特點(diǎn)極限工作條件功率級應(yīng)用范圍39PFC典型芯片UC3854介紹概述39PFC典型芯片UC3854介紹-概述1994年底UC公司推出了UC3854。隨著Unitrode，Motorola，Silicon，Siemens等公司相繼推出了各種有源功率因數(shù)校正芯片，如UC3852、UC3854,3854A\B、UC3855、MC34261、ML4812、ML4821、TDA4814等,單相有源功率因數(shù)校正技術(shù)發(fā)展很快。40PFC典型芯片UC3854介紹-概述1994年底UC公司推出PFC典型芯片UC3854介紹-概述UC3854為電源提供有源功率因素校正，它能按正弦的電網(wǎng)電壓來牽制非正弦的電流變化，該器件能最佳的利用供電電流使電網(wǎng)電流失真減到最小，執(zhí)行所有PFC的功能41PFC典型芯片UC3854介紹-概述41PFC典型芯片UC3854介紹-概述42PFC典型芯片UC3854介紹-概述42PFC典型芯片UC3854介紹-各引腳功能UC3854各引腳功能引腳1(Gnd)：所有的電壓測量都以Gnd腳的地電平為參考基準(zhǔn).引腳2(PKLMT):峰值電流限制腳.引腳3(CAOut):電流誤差放大器輸出腳.引腳4(Isense):電流誤差放大器反向輸入端引腳5(MultOut):乘法器輸出端和電流誤差放大器正向輸入端.引腳6(Iac):交流電流輸入端.引腳7(VAOut):電壓放大器輸出.引腳8(Vrms):電網(wǎng)電壓有效值端.43PFC典型芯片UC3854介紹-各引腳功能UC3854PFC典型芯片UC3854介紹-各引腳功能引腳9(Vref):電壓基準(zhǔn)輸出端.引腳10(ENA):使能控制端.引腳11(Vsense):電壓放大器的反向輸入端.引腳12(Rset):振蕩器充電電流和乘法器電流限制設(shè)置端引腳13(SS):軟啟動端.引腳14(Ct):振蕩器電容器設(shè)置端.引腳15(Vcc):正極性電源電壓.引腳16(GTDrv):柵極驅(qū)動.44PFC典型芯片UC3854介紹-各引腳功能引腳9(Vref)PFC典型芯片UC3854介紹-構(gòu)成

UC3854的主要構(gòu)成電壓誤差放大器電網(wǎng)預(yù)置器（前饋電壓）模擬乘法器電流誤差放大器三角波振蕩器PWM比較器RS觸發(fā)器與MOSFET兼容的柵極驅(qū)動器7.5V參考電壓欠壓比較器過流比較器軟啟動邏輯45PFC典型芯片UC3854介紹-構(gòu)成UC3854的主要構(gòu)PFC典型芯片UC3854介紹-內(nèi)部結(jié)構(gòu)電壓誤差放大器46PFC典型芯片UC3854介紹-內(nèi)部結(jié)構(gòu)電壓誤差放大器46PFC典型芯片UC3854介紹-內(nèi)部結(jié)構(gòu)電網(wǎng)預(yù)置器（前饋電壓）47PFC典型芯片UC3854介紹-內(nèi)部結(jié)構(gòu)電網(wǎng)預(yù)置器（前饋電壓PFC典型芯片UC3854介紹-內(nèi)部結(jié)構(gòu)模擬乘法器48PFC典型芯片UC3854介紹-內(nèi)部結(jié)構(gòu)模擬乘法器48PFC典型芯片UC3854介紹-內(nèi)部結(jié)構(gòu)電流誤差放大器49PFC典型芯片UC3854介紹-內(nèi)部結(jié)構(gòu)電流誤差放大器49PFC典型芯片UC3854介紹-內(nèi)部結(jié)構(gòu)PWM比較器50PFC典型芯片UC3854介紹-內(nèi)部結(jié)構(gòu)PWM比較器50PFC典型芯片UC3854介紹-內(nèi)部結(jié)構(gòu)三角波振蕩器51PFC典型芯片UC3854介紹-內(nèi)部結(jié)構(gòu)三角波振蕩器51PFC典型芯片UC3854介紹-內(nèi)部結(jié)構(gòu)RS觸發(fā)器52PFC典型芯片UC3854介紹-內(nèi)部結(jié)構(gòu)RS觸發(fā)器52PFC典型芯片UC3854介紹-內(nèi)部結(jié)構(gòu)

與MOSFET兼容的柵極驅(qū)動器53PFC典型芯片UC3854介紹-內(nèi)部結(jié)構(gòu)與MOSFETPFC典型芯片UC3854介紹-內(nèi)部結(jié)構(gòu)

7.5V的參考電壓54PFC典型芯片UC3854介紹-內(nèi)部結(jié)構(gòu)7.5V的參考PFC典型芯片UC3854介紹-內(nèi)部結(jié)構(gòu)

欠壓比較器55PFC典型芯片UC3854介紹-內(nèi)部結(jié)構(gòu)欠壓比較器55PFC典型芯片UC3854介紹-內(nèi)部結(jié)構(gòu)

過流比較器56PFC典型芯片UC3854介紹-內(nèi)部結(jié)構(gòu)過流比較器56PFC典型芯片UC3854介紹-內(nèi)部結(jié)構(gòu)

軟啟動邏輯57PFC典型芯片UC3854介紹-內(nèi)部結(jié)構(gòu)軟啟動邏輯57PFC典型芯片UC3854介紹-性能UC3854的主要性能為：適用于Boost型電路適用于CCM工作模式平均電流控制開關(guān)頻率恒定，最高為200kHz最大占空比為95%，單信號輸出輸出驅(qū)動電壓14.5V，輸出驅(qū)動電流1A軟起動輸入電源欠壓保護(hù)輸出過載保護(hù)功能58PFC典型芯片UC3854介紹-性能UC3854的主要性能為PFC典型芯片UC3854介紹-設(shè)計(jì)特點(diǎn)UC3854的設(shè)計(jì)特點(diǎn)1）控制功率因素達(dá)到0.992）限制電網(wǎng)電流失真<5%3）適用于全球電網(wǎng)電壓（80~270AC)4）前饋電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)、低噪聲、高靈敏度5）平均電流模式控制6）低啟動電源電流，精密電壓基準(zhǔn)7）固定頻率脈寬調(diào)制(PWM)8）低失調(diào)模擬乘法器9)1A柵極驅(qū)動器59PFC典型芯片UC3854介紹-設(shè)計(jì)特點(diǎn)UC385PFC典型芯片UC3854介紹-工作條件UC3854的極限工作條件1）電源電壓Vcc:35V2）柵極驅(qū)動：連續(xù)狀態(tài)下為0.5A,50%占空比下為1.5A3）輸入電壓、:11V，、：11V，PKLMT:5V4）輸入電流、、、PKLMT和ENA:10mA5）功率損耗：1W6）貯存溫度范圍：-65~+150℃7）引線溫度（焊錫）：+300℃8）注意：所有的電壓值均以地為參考（腳1）；所有的電流都按正極性流入規(guī)定端點(diǎn)；ENA輸入鉗位在約14V60PFC典型芯片UC3854介紹-工作條件UC3854的極限工PFC典型芯片UC3854介紹-功率級的應(yīng)用范圍升壓型PFC功率因素校正器的控制電路，幾乎不隨變換器的功率大小而變。一般500W的PFC與一個(gè)50W的PFC控制電路基本相同，不同之處僅在功率電路，但控制電路設(shè)計(jì)步驟基本相同。61PFC典型芯片UC3854介紹-功率級的應(yīng)用范圍升壓型PFCBOOST電路功率因素校正（PFC）基于Boost電路的PFC變換器及其控制方法PFC典型芯片UC3854介紹基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例62BOOST電路功率因素校正（PFC）62基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例63基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例63基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例1.設(shè)計(jì)指標(biāo)輸入電壓：80VAC~270VAC輸入頻率：45Hz~65Hz輸出直流電壓：400VDC輸出功率：250W功率因數(shù)：＞98%輸入電流THD:<5%64基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例1.設(shè)計(jì)指標(biāo)64基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例2.開關(guān)頻率

通常開關(guān)頻率可以任意選擇，但必須夠高，使功率電路小型化、減少失真并保持高的變換效率。在多數(shù)應(yīng)用中，20~300kHz的開關(guān)頻率范圍是可接受的折中方案。作為體積和效率的折中，本例采用100kHz的開關(guān)頻率。此外，電感值要合理的取小一些，使畸變尖峰保持在最小范圍內(nèi)，電感的體積也盡可能的小，由二極管引起的損耗不能過大。65基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例2.開關(guān)頻率65基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例電感設(shè)計(jì)電感的選擇66基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例電感設(shè)計(jì)電感的選擇6基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例3.電感的選擇

電感值決定了，輸入端高頻紋波電流總量，可按給出的紋波電流值△I來選擇電感值。電感值的確定從輸入正弦電流的峰值開始，而最大的峰值電流出現(xiàn)在最小電網(wǎng)電壓的峰值處：由上式可知，在此范例中，功率為250W,最小電網(wǎng)電壓為80V，此時(shí)最大峰值電流為4.42A.67基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例3.電感的選擇67基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例3.電感的選擇

電感中的峰-峰值紋波電流，通常選擇在最大峰值電流的20%左右，在此例中,最大峰值電流為4.42A,故峰-峰值紋波電流取△I=900mA.電感值根據(jù)最低輸入電壓時(shí)半個(gè)正弦波頂部的峰點(diǎn)的電流來選擇，此時(shí)Vin=1.414×80=113.12V,fs=100kHz根據(jù)此處電壓和和開關(guān)頻率的占空比來選擇：

由上式可得L=0.89mH,取整為1mH.68基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例3.電感的選擇68基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例電容設(shè)計(jì)輸出電容的選擇69基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例電容設(shè)計(jì)輸出電容的選基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例4.輸出電容

涉及輸出電容的選擇因素有開關(guān)頻率紋波電流、2次紋波電流、直流輸出電壓、輸出紋波電壓和維持時(shí)間。流過輸出電容的總電流，是開關(guān)頻率的紋波電流的有效值和線路電流的2次諧波，通常選擇大電解電容作為輸出電容，其等效串聯(lián)電阻（ESR）隨頻率的變化而變化（低頻時(shí)一般很大）。通常電容所能控制的電流總量還取決于溫升。溫升的確切值一般不用計(jì)算出，只要計(jì)算出由于高頻紋波電流和低頻紋波電流所引起的溫升之和就夠了。電容的datasheet會提供必要的ESR和溫升值。70基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例4.輸出電容70基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例4.輸出電容

在此例中，電容的選擇還是主要考慮維持時(shí)間。維持時(shí)間是在電源關(guān)閉以后，輸出電壓仍然能保持在規(guī)定范圍內(nèi)的時(shí)間長度，其典型值為15~50ms.在250W、DC400輸出的離線電源中，其維持時(shí)間對電容值的要求每瓦輸出為1~2uF（經(jīng)驗(yàn)值）.另可根據(jù)以下公式確定（能量守恒）：式中，Pout=250W,△t=64ms,Vo（min）=300V,可計(jì)算得Co=457uF,這里我們選用450V450uF的電解電容。71基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例4.輸出電容71基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例功率管和二極管72基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例功率管和二極管72基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例5.開關(guān)管和二極管

開關(guān)管和二極管必須能充分確保電路可靠的工作。一般來說，開關(guān)管的額定電流必須至少要大于電感電流的峰值，額定電壓至少大于輸出電壓，對二極管的要求也是一樣的。二極管必須速率很快，以減少開關(guān)損耗（電感電流連續(xù),存在反向恢復(fù)問題）。

73基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例5.開關(guān)管和二極管7基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例5.開關(guān)管和二極管此例中，二極管必須是快速高壓型的，反向恢復(fù)時(shí)間為35ns,600V的擊穿電壓，8A的正向額定電流。功率MOSFET為500V擊穿電壓，23A的額定直流電流。此例的開關(guān)損耗主要是由二極管的反向恢復(fù)電流引起的。二極管關(guān)斷和開關(guān)管開通時(shí)的電流電壓實(shí)驗(yàn)波形74基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例5.開關(guān)管和二極管7基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例6.電感電流檢測

兩種常用的檢測電流的方法：（1）在變換器到地之間使用一檢測電阻.（2）使用電流互感器.75基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例6.電感電流檢測75基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例檢測電阻76基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例檢測電阻76基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例6.電流傳感檢測

在此例中，運(yùn)用電流檢測電阻來檢測電流（如上圖頁圖所示），此電阻值產(chǎn)生的信號夠大以不受噪聲干擾，同時(shí)小到以不至于產(chǎn)生過大的能量損失。壓降為1V左右的檢測電阻是一個(gè)不錯的選擇，這里選擇0.25歐姆的電阻做為Rs，在最壞情況下，5.6A的峰值電流將會產(chǎn)生最大1.4V的壓降.77基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例6.電流傳感檢測77基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例峰值限制分壓電阻78基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例峰值限制分壓電阻78基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例7.峰值電流限制

UC3854的峰值限制功能，在電感電流的瞬時(shí)值電流超過最大值，即2管腳低于地電平時(shí)被激活，將開關(guān)斷開。電流限制值有基準(zhǔn)電壓除以電流檢測電阻的分壓來設(shè)置：式中，和是分壓電阻；值為7.5V；是檢測電阻Rs上的電壓值。通過的電流大約為1mA，在本例峰值電流限制在5.6A，取10，取1.8。在加上個(gè)小電容，可在低電網(wǎng)電壓時(shí)避免噪聲干擾。79基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例7.峰值電流限制7基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例前饋電壓分壓電阻80基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例前饋電壓分壓電阻80基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例8.前饋電壓信號

是輸入到平方器電路的電壓，UC3854平方器電路通常在1.4~4.5V的范圍內(nèi)工作。UC3854內(nèi)有一個(gè)鉗位電路，即使輸入超過該值，都將前饋電壓的有效值限制在4.5V。前饋輸入電壓分壓器有3個(gè)電阻、、，及兩個(gè)電容、。因此它能進(jìn)行兩級濾波并提供分壓輸出。分壓器和電容形成一個(gè)二階低通濾波器，所以其直流輸出是和正弦半波的平均值成正比的。平均值是正弦半波有效值的90%，如過交流電網(wǎng)的有效值是270V，其平均值是243V,而峰值是382V.81基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例8.前饋電壓信號8基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例8.前饋電壓信號

前饋電壓分壓器有兩個(gè)直流條件需要滿足。在高輸入電網(wǎng)電壓下，前饋電壓應(yīng)不高于4.5V，當(dāng)達(dá)到或超過此值時(shí)，前饋電壓被鉗制而失去前饋功能。在低輸入電網(wǎng)電壓時(shí)，應(yīng)設(shè)置分壓器使前饋電壓等于1.414V，如果不到1.414V，內(nèi)部限流器將使乘法器輸出保持恒定。在本例中，分壓電阻是910，是91，是20。當(dāng)輸入電壓是AC270V時(shí)，直流平均值是243V，此時(shí)的最大值將是4.76V，當(dāng)輸入電壓是AC80時(shí)，直流平均值為72V，此時(shí)是1.41V.82基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例8.前饋電壓信號8基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例乘法器設(shè)置83基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例乘法器設(shè)置83基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例9.乘法器的設(shè)置

乘法器、除法器是功率因素校正器的核心。乘法器的輸出調(diào)節(jié)電流環(huán)用以控制輸入電流功率因素提高。因此此乘法器的輸出是個(gè)表達(dá)輸入電流的信號。與多數(shù)從輸出開始到輸入的設(shè)計(jì)任務(wù)不同，乘法器電路的設(shè)計(jì)必須從輸入端開始。乘法器有三個(gè)輸入端：調(diào)節(jié)電流端（腳6）、來自輸入的前饋電壓端（腳8）、電壓誤差放大的輸出端（腳7）。乘法器的輸出是電流信號Imo（腳5）：式中，Km=1是個(gè)常數(shù)，是整流后的輸入電流，是電壓誤差放大器輸出，是前饋電壓。

84基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例9.乘法器的設(shè)置8基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例乘法器輸入電流電阻設(shè)置85基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例乘法器輸入電流電阻設(shè)基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例10.乘法器輸入電流

乘法器的輸入電流來自經(jīng)的輸入電壓，乘法器在較高電流下有較好的線性度，但推薦的最大電流是0.6mA。在高網(wǎng)電壓時(shí)，峰值電壓是382V,腳6上的電壓是6V，用620的電阻值得到最大的值是0.6mA.因?yàn)橐_6上的電壓是6.0V,為使電路正常工作，在輸入波形處，需要一個(gè)偏置電流。在基準(zhǔn)電壓和腳6之間接1個(gè)電阻，就能提供最小偏置電流，，其值取150。

86基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例10.乘法器輸入電流基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例乘法器電流限流電阻87基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例乘法器電流限流電阻8基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例11..乘法器輸出電流

乘法器的最大輸入電流Imo，出現(xiàn)在低電網(wǎng)線路輸入正弦波的峰值處。

此時(shí)，為5V,為2，

由上可得，Imo的最大值為365uA.Imo不會大于兩倍的.88基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例11..乘法器輸出電基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例11.乘法器輸出電流

電流Iset是乘法器輸出電流的另一個(gè)限制點(diǎn)。Imo不能大于，對于本例電路可得到最大值，因此可選10。

89基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例11.乘法器輸出電流基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例乘法器出電流電阻設(shè)置90基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例乘法器出電流電阻設(shè)置基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例11.乘法器輸出電流為了形成電流環(huán)的反饋回路，乘法器的輸出電流Imo必須與一個(gè)正比與電感電流的電流相加，形成負(fù)反饋。接在乘法器輸出和電流檢測電阻的電阻執(zhí)行這一功能，它使乘法器的輸出端成為電感電流和基準(zhǔn)電流的求和結(jié)點(diǎn)。在此例中，存在著以上的一個(gè)約束方程，電感電流的峰值電流被限定在5.6A，電流檢測電阻是0.25，所以檢測電阻上的峰值電壓是1.4V。乘法器最大輸出電流是365uA，所以合成電阻應(yīng)該是3.84，可選3.9。91基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例11.乘法器輸出電流基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例振蕩器頻率設(shè)置92基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例振蕩器頻率設(shè)置92基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例12.振蕩器頻率

振蕩器的頻率由電容和電阻來設(shè)定，已知為10，開關(guān)頻率要設(shè)定為100kHz，電容即由下式?jīng)Q定：

所以為0.00125uF。93基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例12.振蕩器頻率93基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例電流誤差放大器的補(bǔ)償94基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例電流誤差放大器的補(bǔ)償基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例13.電流誤差放大器的補(bǔ)償(1)計(jì)算電感電流下降時(shí)在檢測電阻兩端所造成的壓降，再除以開關(guān)頻率，方程為：

Δvrs=(400×0.25)/(0.001×10,000)=1.0V此電壓必須等于Vs的峰-峰值，即定時(shí)器電容上的電壓5.2V。誤差放大器的增益為：Gca=Vs/Vrs=5.2V/1V=5.295基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例13.電流誤差放大器基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例(2)反饋電阻，設(shè)Rci=Rmo=3.9Rcz=GcaRci=5.2×3.9=20(3)電流環(huán)穿越頻率：＝15.7KHz(4)選Ccz，選擇45°相位范圍，在環(huán)路穿越頻率處設(shè)置零點(diǎn)。,取620pF96基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例(2)反饋電阻，設(shè)R基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例(5)選擇Ccp，極點(diǎn)必須在fs/2上，

取62pF97基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例(5)選擇Ccp，極基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例分壓設(shè)置電壓誤差放大器補(bǔ)償98基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例分壓設(shè)置電壓誤差放大基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例14.電壓誤差放大器的補(bǔ)償THD為5％，選3%的3次諧波交流輸入作為規(guī)范值。1.5%分配做Vff輸入，0.75%到輸出紋波電壓，或1.5%到Vvac。留下0.75%分配到各種非線性器件99基于Boost電路的PFC變換器設(shè)計(jì)實(shí)例14.電壓誤差放大器基于Boost電路的PFC變