主動式PFC電路

1、主動式PFC電路 穩(wěn)定的電源除了能供應系統維持正常的動作外并會影響整個系統的特性, 當負載具高電容性或電感性, 或者電流波形非弦波時, 功率因子遠低于1, 致使部分功率反饋回電力的傳輸在線, 因而會增加傳輸線的負荷與諧波之干擾. 再加上當今能源缺乏須節(jié)約能源的趨勢下, 設計生產高效率的電源減少干擾和能源浪費成為眾所追求的目標,為了達到這個目標必須提高電源的功率因子(Power Factor, 簡稱PF). PFC即功率因子校正(Power Factor Correction), 其作用就是為了提高功率因子. LITEON生產的電源產品主要為開關電源(Switching Power Supply

2、, 簡稱SPS), 本文將針對SPS的主動式PFC(Active Power Factor Correction, 簡稱APFC)電路進行探討.一. PF的相關知識.1.正弦電路的功率因子N任一網絡N在圖標關聯參考方向下, 輸入網絡的瞬時功率P等于電壓與電流瞬時值的乘積, 即: p=u*i i 設正弦電壓和電流分別為: u + u=U*Cost _ i=U*Cos(t-) (為端口電壓與電流的相位差) 則有p=u*I=U*Cost*U* Cos(t-)=U*I*Cos+Cos(2t-)可見瞬時功率是由恒定分量UICos和正弦分量兩部分組成, 正弦分量的頻率是電壓頻率的兩倍. 其中感性網絡中&g

3、t;0, 容性網絡中<0. 此時電壓和電流的波形如圖. 由圖可見在每一個周期內有兩段時間內u和I的實際方向相反, 此時p<0, 即網絡內部儲能組件把儲存的電磁能量返回電源的緣故. 瞬時功率的實際意義不大, 通常用平均功率P(又稱有功功率)來反映網絡實際吸收的功率. 根據定義: P=*=* =U*I*Cos Cos稱為電路的功率因子, 功率因子角(也就是阻抗角), 當電流與電壓的參考方向相同時, UICos表示吸收功率. 電路的功率因子直接影響發(fā)電設備的利用率, 如一額定電壓UN=1000V, 額定電流IN=100A的發(fā)電機, 在負載功率因子為0.5時只能發(fā)出1000*100*0.5

4、=50KW. 只有當負載的功率因子為1時, 才能發(fā)出100KW的功率. 另一方面當輸送相同的功率時, 功率因子低, 則電流就大, 流過線路時, 損耗也就增大.2.AC-DC電路的輸入電流諧波分量和功率因子 在AC-DC開關電源的輸入端, AC電源經全波整流后, 一般接一個大電容, 如圖, 以得到波形比較平直的直流電壓. 整流器電容濾波電路是一種非線性組件和儲能組件的組合. 因此, 雖然輸入正弦交流電壓, 但電流波形卻嚴重畸變, 呈脈沖狀, 如圖. 由此可見, 大量應用整流電路, 會使電網供給嚴重畸變的非正弦電流, 造成的嚴重后果是: 諧波電流對電網有嚴重的危害, 并且輸入端功率因子下降. 脈沖

5、狀的輸入電流, 含有大量諧波, 一方面使諧波躁音水平提高, 同時在AC DC整流電流的輸入端必需增加濾波器. 對上圖的電流波形, 可用傅里葉級數展開, 得到各次諧波分量的百分比, 總的諧波電流分量(或稱總諧波畸變 Total Harmonic Distortion)用THD表示. 大量的電流諧波分量倒流入電網(稱為Harmonic Emission), 造成對電網的諧波”污染”. 一方面產生”二次效應”, 即電流流過線路阻抗造成諧波電壓降, 反過來使電網電壓(原來是正弦波)也產生畸變; 另一方面, 會造成電路故障, 使變電設備損壞 上面講到正弦電路的功率因子用Cos表示. 由于整流電路中二極管

6、的非線性, 盡管輸入電壓為正弦, 電流卻為嚴重非正弦, 因此正弦電路的功率因子計算不再適用于AC-DC變流電路, 后續(xù)用PF(Power Factor)表示功率因子. 定義: PF=有功功率/伏安=P/(U*I) 設AC-DC變流的輸入電壓(有效值U)為正弦, 輸入電流為非正弦, 其有效值為: I=式中, 、分別為電流的基波分量、二次諧波、n次諧波的有效值. 設基波電流落后相位差為, 則有功功率和功率因子可表示為: P=U*I1*Cos PF=U*I1*Cos/VI= I1 *Cos/I 式中 I1 /I=I1 / 為基波電流相對值, 稱為畸變因子(Distortion Factor), Co

7、s稱為位移因子(Displacement Factor). 定義總諧波畸變 THD=/=則 PF= Cos/3.提高AC-DC電路輸入端功率因子和減小電流諧波的主要方法a.無源濾波器 這一方案是電路的整流器和電容之間串聯一個濾波電感, 或在交流側接入諧振濾波器. 其主要優(yōu)點是: 簡單、成本低、可靠性、EMI小. 主要缺點是: 尺寸和重量大, 難以得到高功率因子(一般可提高到0.9左右), 工作性能與頻率、負載變化及輸入電壓變化有關, 電感和電容間有大的充放電電流等.b.有源濾波器(或稱主動式功率因子校正器)在整流器和負載之間接入一個DC-DC開關變換器, 應用電流反饋技術, 使輸入端電流波形跟

8、蹤交流輸入正弦電壓波形, 可以使電流接近正弦. 從而是輸入端THD小于5%, 而功率因子可提高到0.99甚至更高. 此種方案即主動式PFC(Active Power Factor Correction), 簡稱APFC.它的主要優(yōu)點是: 可得到較高的功率因子; THD小; 可在較寬的輸入電壓范圍和寬帶帶下工作; 體積和重量小; 輸出電壓可保持恒定.主要缺點是: 電路復雜; MTBF下降; 成本高; EMI高; 效率會有所下降. 二. Boost功率因子校正器(Boost-APFC)的工作原理1.APFC的基本原理.從原理上講, 任何一種DC-DC變換器拓樸都可以用作APFC的主電路. 但是,

9、由于Boost變換器的特殊優(yōu)點, 應用于APFC更為廣泛. 下面以Boost-APFC為例, 說明APFC電路的基本工作原理. 下圖為Boost-APFC電路的原理圖. 主電路有單相橋式整流器和DC-DC Boost變換器組成, 虛線框內為控制電路, 包括: 電壓誤差放大器VA及基準電壓Vr, 電流誤差放大器CA, 乘法器M, 脈寬調制器(圖中未給出)和驅動器等, 負載可以是一個開關電源. PFC工作原理如下: 主電路的輸出電壓Vo和基準電壓Vr比較后, 輸入給電壓誤差放大器VA, 整流電壓Vdc檢測值和VA的輸出電壓信號共同加到乘法器M的輸入端, 乘法器M的輸出則作為電流反饋控制的基準信號,

10、 與開關電流檢測值比較后, 經過電流誤差放大器CA加到PWM及驅動器, 以控制開關Tr的通斷, 從而使輸入電流(即電感電流)的波形與整流電壓Vdc的波形基本一致, 是電流諧波大為減少, 提高了輸入端功率因子, 由于功率因子校正器同時保持輸出電壓恒定, 使下一級開關電源設計更容易.上圖中給出輸入電壓波形Vdc、Vi和經過校正的輸入電流、波形, 輸入電流PWM頻率調制, 使原來呈脈沖狀的波形, 調制成接近正弦(含有高頻紋波)的波形. 在一個開關周期內, 具有高頻紋波的輸入電流, 取每個開關周期的平均值, 則可得到較為光滑的近似正弦波. 2.APFC的控制方法 常用的控制AC-DC開關變換器實現AP

11、FC的方法基本上有三種, 即電流峰值控制, 電流滯環(huán)控制, 以及平均電流控制. 區(qū)別如下表:控制方法檢測電流開關頻率工作模式對躁音適用拓樸備注電流峰值開關電流恒定CCM敏感Boost需斜率補償電流滯環(huán)電感電流變頻CCM敏感Boost需邏輯控制平均電流電感電流恒定任意不敏感Boost需電流誤差放大 由于平均電流控制較電流峰值控制, 電流滯環(huán)控制性能優(yōu)越, 且目前主流PFC控制IC大多使用平均電流控制模式, 如UC3845、ML4824等, 故在此僅討論平均電流模式. 如圖, 為平均電流控制的Boost-APFC電路的原理圖, 其主要特點是使用電流誤差放大器(或動態(tài)補償器)CA. 其工作原理如下:

12、 電流誤差放大器的電流基準值由乘法器輸出Z供給, Z=XY. 乘法器有兩組輸入, 一個為X, 是輸出電壓Vo/H與基準電壓Vref之間的誤差(經過電壓誤差放大器VA)信號, 另一個輸入Y為電壓Vdc檢測值Vdc/K, Vdc為輸入正弦電壓Vi的全波整流值, 因此電流基準為雙半波正弦電壓. 電感電流被直接檢測, 與基準電壓比較后, 其高頻分量的變化通過電流誤差放大器, 被平均化處理. 放大后的平均電流誤差與鋸齒波斜坡相比較后, 給開關Tr以PWM信號并控制Tr的占空比D(Duty Cycle). 于是電流誤差被迅速而精確的校正. 三. APFC集成控制電路的工作原理簡介 為便于研制和生產主動式有

13、源功率因子校正器, 現在APFC的控制電路已經集成化. 有多種APFC集成控制電路芯片可供選用. 這里以Micro Liner公司生產的ML4824芯片為例, 說明APFC集成控制電路基本組成和應用. ML4824是一顆集成PFC和PWM控制的芯片, 其PFC部分具有平均電流模式控制; 恒頻控制等特點.1.ML4824的內部結構框圖及端子功能說明下圖為ML4824的內部結構框圖. 由圖可見, ML4824包括電流放大器IEA, 模擬平方/乘法/除法器(Gain Modulator, 以下簡稱GM), 震蕩器, 功率MOS管的門極驅動器, 7.5V基準電壓, 以及軟啟動, 過流/過壓保護等. 模

14、擬平方/乘法/除法器GM如下圖: GM的輸入由三部份組成: 1) Iac: 提供一個正弦電壓的相位參考, 它與Im成正比; 2) Irms: 輸入電壓的均方根, 其平方值與Im成反比; 3) Veao: PFC輸出反饋值與基準電壓2.5V經VEA比較放大后的輸出, 同時外接RC網絡(網絡的另一端接GND), 用來作電壓回路的補償;Im與Iac、Irms和Veao的關系為: Im=K*Iac*(Veao-Vx)/式中K為比例常數, 從Veao中減去Vx是芯片設計的要求, 一般為1.5V. Iac與Vrms為電壓前饋(Feedforward)的作用, 使輸入電壓變化時輸入功率穩(wěn)定. 例如設Veao

15、不變而輸入電壓增加一倍, Iac和Vrms也增加一倍, 則為四倍, 可得Im將減半, 結果輸入功率不變. Im輸出電流信號大小, 成為了控制PFC開關on-off時間的重要因素. Im的輸出電流經由電流誤差放大器IEA所產生的信號和一三角波(由Ramp1之外接電路RC而來) 比較,以控制PFC開關之on-off之時間.ML4824其內部分為兩大部分, 即前端之功率因子修正(PFC)部分, 與后端波寬調變(PWM)之部分, 其PFC之動作時機采leading edge, 而PWM則為trailing edge. V t V t Leading edge V t V t Trailing edge

16、 ML4824由16個端子(Pin), 依次(按序號)為: 1).Ieao: PFC IEA的輸入端, 同時外接RC網絡(網絡的另一端接Vref參考電壓), 用來作電流回路的補償; 2).Iac; 3).Isense: 電流Sense信號的輸入, 以限制PFC電路的總電流. 一般接一Sense電阻,當電流流過此電阻時, 在Rsense上產生一壓降. 同時給Isense提供一負電壓. 電流越大則負電壓絕對值越大, 當低于-1V時即|Isense|>1時, PFC Ilimit將動作, 將PFC out訊號拉低, 以作PFC Ilimt保護; 4).Vrms; 5).SS: 軟啟動(Soft

17、 Start), 要求外接一電容Css, 當其被充電至8V時, PWM開始動作, 其Delay時間可由T=Css*1.25V/50uA估算出來, 如當Css=1uF時, T為25mS; 6).Vdc: PWM電壓的反饋輸入; 7).Ramp1: 外接RtCt用以設定PFC電路的開關頻率. 公式為f=1/0.51(Rt+961Ct)Ct, ML4824-2的PWM的開關頻率為PFC的兩倍, 而ML4824-1的兩不部分頻率相等; 8).Ramp2: 當其工作在電壓模式時, 作為PWM輸入(即PFC的輸出)的前饋. 當PFC電壓低時增大PWM的輸出占空比(Duty cycle). 工作在電流模式時

18、作為電流Sense輸入; 9).DC Ilimit: PWM電流的Sense, 一般用來檢測PWM MOS的電流. 當其超過1V時, 會拉低PWM的輸出; 10).GND: 接地端. 所有電壓的量測以之為準; 11).PWM out: PWM的驅動輸出; 12).PFC out: PFC out的驅動輸出; 13).Vcc: IC的供電電壓端; 14).Vref: 基準電壓端, 產生7.5V輸出; 15).Vfb: PFC輸出電壓的檢測端, 接VEA的負端, 用來與2.5V基準電壓比較得到Veao, 另外其在電路還有兩種功能, 當其大于2.7V時, OVP將動作, 將PFC out訊號拉低,

19、以作PFC過壓保護, 開機時, 當其小于2.5V時, 遲滯比較器Vin OK將PWM out訊號拉低, 以作PWM Soft Star欠壓保護(當正常工作后因Vin OK為遲滯比較器, 故Vfb即使低于2.5V, 其PWM也可正常工作); 16).Veao. 一般說來, 當交流電經EMI與橋式整流后, 其電壓電流尚未經過內部煩雜的電子電路時, 其所受之noise干擾最小, 故ML4824之GM所取的電壓及電流會從此端取得. 2.ML4824 PFC邏輯及保護電路部分說明: (見ML4824的內部結構框圖)if PFC 輸出為1 (正常) => .4.為0; if 1.為0 => S

20、為0 => 5.6.為0, 當Vfb過高 (高于2.7V時),OVP output為1, 即5.為1; if 5.為1 => PFC為0; 當Isense過低 (低于-1V時), PFC limit output為1, 即6.為1, if 6.為1 => PFC 為0; if PFC 輸出為1 (正常) => 1.2.3.4.為0; if 2.為0 => R為1, 即7.為1 => 8.為0; 應為9.(水平訊號)與10.(三角波訊號)為比較器+端與-端之輸入, if 8.為0 => 10.>9. 時動作,此即前所述PFC之leading edge.3.ML4824應用范例LITEON的File Server及Work Station機種中所使用的APFC芯片一般為ML4824和ML4800兩種, ML4800與ML4824功能與原理大致相同. 而在ML-4824中選用的都是ML4824-1型, 即PFC與PWM部分開關頻率相等. 下面就以PS-6191-1為例, 說明在具體線路中ML4824-1的應用. PS-6