基于交直流切换的开关电源系统研究

中北大学 2013 届毕业设计说明书第 1 页 共 49 页摘 要开关电源作为设备正常工作的动力之源，广泛的应用于各种电子产品中。本文设计了一款通信电源的室内机，其AC/DC部分采用了功率因数校正技术用于实现220VAC/48VDC的转换，DC/DC部分采用了有源钳位技术用于实现24VDC/48VDC、48VDC/12VDC和48VDC/48VDC的转换。要求在效率尽可能高的同时，实现整个电源输出稳定、可靠性高、纹波小等优点。主要内容有：1. 分析了开关电源电路中电磁干扰的问题，提出了电磁干扰抑制方案，并给出了详细的设计步骤。2. 分析了课题设计主电路的拓扑选择和辅助电路的拓扑选择，并分别给出了上述两种拓扑电路的设计步骤。3. 分析了PFC电路的工作原理，设计了基于NCP1653有源功率因数校正电路的。4. 分析了PWM电路的工作原理，设计了基于UC3844正激变换器的。5. 分析了有源钳位电路的工作原理，设计了基于LM5026有源钳位正激变换器的。6. 分析了过、欠压保护和温度保护的原理，给出了电路设计。7. 分析了低压差稳压电路工作原理，并应用于48VDC/12VDC输出端。8. 分析了变压器的工作原理，根据不同变换器的拓扑结构，分别给出了正激变压器和反激变压器的设计方法和设计步骤。关键词：开关电源，PFC，PWM，有源钳位中北大学 2013 届毕业设计说明书第 2 页 共 49 页ABSTRACT Switching power supply, the source of energy that enables equipments to function properly, is widely used in various electronic products. The author of this paper designed a switching power supply indoor unit which is based on AC-DC. The AC/DC part employed the technology of Power Factor Correction (PFC) in order to make conversion between 220V AC and 48V DC. Moreover, the DC/DC part use the active clamp technology to realize the conversion of 24VDC/48VDC, 48V DC/12V DC and 48V DC/48V DC. The efficiency of the product is supposed to be as high as possible, and the product is expected to possess the advantages of output stability, high reliability, small ripple.The main content are as follows:1.Analyze the question of electromagnetic interference in the circuit of switching power supply, put forward a proposal of suppressing electromagnetic interference with design steps.2.Analyze the choice of main circuit topology and auxiliary circuit topology and provide the design steps of the above-mentioned topologies circuit.3.Analyze the working principle of PFC circuit, and design the Active Power Factor Correction circuit which is based on NCP1653.4.Analyze the working principle of PWM circuit, and design the Forward Converter which is based on UC3844.5.Analyze the working principle of Active Clamp circuit and design the Active Clamp Forward Converter which is based on LM5026.6.Analyze the working principle of Over-voltage Protection, Under voltage Protection, and Temperature Protection, and provide the circuit design process.7.Analyze the working principle of Low dropout regulator circuit, and apply it to the 48VDC/12VDC output, thus achieve a more accurate voltage output.8.Analyze the working principle of transformer. And paper provide the design methods and design steps of Forward Transformer and Flyback Transformer.Keywords: Switching Power Apply; PFC; PWM; Active Clamp中北大学 2013 届毕业设计说明书第 3 页 共 49 页目 录1 绪 论 .11.1 本课题研究的目的及意义 .11.2 本课题研究现状及趋势 .11.3 全文结构 .22 开关电源主电路设计 .42.1 开关电源设计基础 .42.1.1 开关电源基本结构 .42.1.2 开关电源工作原理 .52.1.3 开关电源拓扑分类 .52.2 课题整体设计 .62.3 系统电磁干扰设计 .72.4 电路拓扑选择 .93 一次电源 PFC 电路及 PWM 电路设计 .103.1 功率因数校正 .103.1.1 功率因数校正技术介绍 .103.1.2 功率因数校正工作原理 .113.1.3 功率因数校正仿真 .123.2 NCP1653 芯片介绍 .143.2.1 NCP1653 的管脚排列及功能 .153.2.2 NCP1653 芯片电路 .163.3 PFC 电路设计与计算 .173.4 脉冲宽度调制 .193.4.1 脉冲宽度调制技术介绍 .193.4.2 脉冲宽度调制工作原理 .203.5 UC3844 芯片介绍 .203.5.1 UC3844 芯片管脚排列及功能 .213.5.2 UC3844 芯片应用 .223.6 一次电源交流输入 PWM 电路设计与计算 .23中北大学 2013 届毕业设计说明书第 4 页 共 49 页4 二次电源 DC/DC 变换器 .244.1 有源钳位设计 .244.1.1 有源钳位正激变换器介绍 .244.1.2 有源钳位正激变换器工作原理 .244.2 LM5026 芯片介绍 .254.2.1 LM5026 芯片管脚排列及功能 .264.2.2 LM5026 芯片应用 .284.3 二次电源 PWM 电路设计与计算 .295 保护电路及变压器设计 .305.1 保护电路设计 .305.1.1 过欠压保护电路 .305.1.2 温度保护电路 .315.2 低压差稳压电路设计 .315.3 变压器设计 .325.3.1 正激变压器设计 .325.3.2 反激变压器设计 .346 仿真波形 .366.1 PFC 电路开关管波形 .366.2 PWM 电路开关管波形 .366.3 输出纹波波形 .397 全文总结 .40参 考 文 献 .41致 谢 .43中北大学 2013 届毕业设计说明书第 5 页 共 49 页1 绪 论1.1 本课题研究的目的及意义随着电子技术的快速发展，电子设备与人们工作、生活的关系日益密切。电子设备都离不开可靠的电源，特别是进入80年代，计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成了计算机的电源换代；进入90年代，开关电源相继进入各种电子电器设备，更促进了开关电源技术的迅速发展。开关电源 1是通过控制高频开关管的导通与关断，使输出电压维持稳定的一种电源，其与线性电源相比体积小、效率高、发热小、成本低。在这个以高效、节能、环保为先 21世纪，作为电子设备的基础部件，一款高稳定性、高可靠性、高智能性的电源，将会极大的推动着高新设备在能源、环保、通信、生命科学、航天航空和电子信息等领域的应用。开关电源历经了从线性电源、相控电源到开关电源的发展历程，由于其具有功率转换效率高、稳压范围宽、功率密度比大、重量轻等优点，从而取代了相控电源，成为通信电源的主体，并向着高频小型化、高效率、高可靠性的方向发展 2。从线性电源到开关电源是电源发展史上的一个质的飞跃。开关电源内部关键元器件工作在高频开关状态，本身消耗的能量很低，电源效率可达80%-90%，比普通线性稳压电源效率提高近一倍，被誉为高效节能电源 3。开关电源是利用体积很小的高频变压器来实现电压变换及电网隔离的，不仅能去掉笨重的工频变压器，还可采用体积较小的滤波元件和散热器，这就为研究与开发高效率、高精度、高可靠性、体积小、重量轻的开关电源奠定了基础。开关电源以小型、轻量和高效率的特点已经被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式 45。因此，研究基于交直流切换的开关电源系统研究这个课题，对于相关于开关电源系统理论的应用，有着实际的意义和一定的应用价值。1.2 本课题研究现状及趋势开关电源最早出现在上世纪60年代，由于其在能耗、效率、体积、成本等各方面的优势，使其逐步取代了SCR相控电源和线性稳压电源。历经50多年的发展，开关电源经历三个重要的发展阶段 67。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 6 页 共 49 页第一个阶段是功率半导体器件的转变，从双极型器件（SCR可控硅整流管、GTO可关断晶闸管、BPT双极性晶体管）发展为MOS型器件（MOSFET场效应管、IGBT绝缘栅极型晶体管、IGCT集成门极换流晶闸管等） ，大幅降低了导通损耗，并引出了开关器件高频化的概念，同时也降低了电路的难度。第二阶段是高频化和软开关技术的开发与研究，始于上世纪80年代，提高了功率变换器的性能、减小了体积及重量，并且高频化与软开关技术一度成为了国际电力电子界的热点研究之一。第三阶段是开关电源系统的集成技术，从上世纪90年代中期至今，用户要求制造商生产的电源更加实用、轻小、便捷以及低成本，这就促使了集成电源模块的研发，使电源产品更为紧凑，减小体积，从而减小寄生参数，这已成为了国际电力电子界研究的主要方向之一。伴随着开关电源的发展，其可靠性随着器件和控制方法的改进不断提高。目前的电源系统普遍采用“备用并联运行”方法，在开关电源称为“N+I模块冗余备份” 8。这种并联运行采取均流方式，使整个系统的可靠性极大提高，而且各模块可热插拔，维护十分方便。而又随着电力电子技术的迅猛发展，应用于开关电源的新技术包括：新的电子元器件、新电磁材料、新变换技术、新控制理论等，使开关电源也具备了一些新的性能 9，如：高频率、高效率、高功率因数、高可靠性、高功率密度等。其应用的领域也愈加的广泛，如通信设备、军事航天、交通设施、仪器仪表、工业设备、家用电器等，其优点与取得的效益日益突出。在最初阶段开关电源最主要应用在小功率领域，但随着其应用领域的扩展，在中等功率以至较大功率领域，开关电源也表现出了明显的优势。对现代开关电源功率变换技术的发展趋势可概括为：高频化、模块化、数字化 1011。1.3 全文结构第1章对课题研究目的及意义，国内外研究现状和发展趋势进行介绍。第2章先是对开关电源的概念原理等基础知识进行简单的介绍，然后阐述了主电路的整体设计，并逐步分析电路中一次电源与二次电源的拓扑选择，电磁兼容性设计及整流、滤波电路的设计。第3章介绍了功率因数校正（PFC）电路及脉宽调制（PWM）电路的工作原理和功能中北大学 2013 届毕业设计说明书第 7 页 共 49 页实现，通过仿真进行验证，并结合项目指标完成本课题PFC电路和PWM电路的设计。第4章实现了电路中DC/DC模块的设计，介绍了有源钳位正激变换器工作原理。第5章实现了过、欠压保护电路，温度保护，低压差稳压电路的设计。结合一、二次电源的拓扑结构给出了本课题所使用的高频变压器的设计步骤和设计方法。第6章给出了仿真数据和波形，并加以分析。第7章对全文进行总结。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 8 页 共 49 页2 开关电源主电路设计2.1 开关电源设计基础2.1.1 开关电源基本结构开关电源是一种利用现代电力电子技术，通过调控开关管开通与关断的时间比率以维持输出电压稳定的电源。一般情况，它主要由输入整流滤波电路、功率变换电路、PWM 电路、 PFC电路、输出整流滤波电路、辅助电路和各种保护电路组成，其基本电路方框图如图 2.1。图 2.1 开关电源电路方框图EMI电路：用于滤除来自电网的高频脉冲对开关电源产生的干扰，同时还可以减小开关电源对外界所产生的电磁干扰。输入整流滤波电路：对输入的电网交流电进行整流滤波，为下级电路提供一个相对平滑的直流电。高频变换器：将低频直流电转换成高频交流电，然后经过高频变压器变压后输出所需的交流电压。输出整流滤波电路：对高频变压器输出的交流电进行整流滤波，以输出稳定平滑的直流电。辅助电路：为PFC电路、PWM电路、保护电路等提供所需的工作电压。PFC电路：通过专用的IC调整电流波形，对电流和电压之间的相位差进行补偿，从而提高开关电源的效率。PWM电路：控制开关管导通与关断的时间比率，产生电路所需的脉冲信号，从而实现稳定的输出电压。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 9 页 共 49 页采样电路：采集输出电压信号，并与基准电压比较，以实现对输出电压的控制。输入、输出保护电路：当开关电源过压、过流时，保护电路可以使其停止工作，保护负载及电源本身。2.1.2 开关电源工作原理根据开关电源的基本概念可知，开关电源就是通过控制功率晶体管的工作状态，使其在导通与关断间转换，从而实现稳定的输出电压。其基本原理是：电网交流220V电压通过EMI滤波器后，经过整流、滤波得到直流电，经过PWM控制器调节开关管占空比，实现低频直流电到高频交流电的转变，再经过高频变压器进行电压变换，输出需要的高频交流电，最后高频交流电再通过输出整流、滤波电路，得到所需的高品质直流电。其中，PWM控制电路是实现功率转换的关键，PWM电路通过一个“斩波”的过程，将整流、滤波后的直流电斩成幅值与此直流电相同的脉冲电压，通过PWM调节器调节脉冲的宽度，从而控制开关管开通与关断的占空比，以实现后级输出电压的升降，从而维持输出电压的稳定。2.1.3 开关电源拓扑分类开关电源主要包括主回路和控制回路两个部分。主回路指的是开关电源中电流流经的通路，它一般包含开关器件、储能器件、高频变压器、整流器、滤波器等。控制回路一般采用PWM控制方式，通过对输出电压和基准电压进行比较以控制主回路中的开关器件。开关电源的主回路可以分为隔离变换器和非隔离变换器两大类型，如图2.2。非隔离变换器指的是开关电源输入端与输出端电气相通，没有隔离。按工作方式分，有Buck 变换器、Boost变换器、Buck-boost变换器、Cuk 变换器、Zeta变换器和Sepic变换器等。前三种变换器是基础变换器，它们均采用电感作为传送能量的器件 1213。图 2.2 开关电源拓扑分类中北大学 2013 届毕业设计说明书第 10 页 共 49 页2.2 课题整体设计图 2.3 课题整体设计框图图2.3是根据第一章第三小节课题的主要任务绘制的电路整体设计框图，它主要包括二个部分：一次电源、二次电源，其中一次电源又包含直流输入和交流输入两部分。一次电源的直流部分与交流部分分别独立工作，电源启动瞬间，交、直流部分同时开始工作，且控制器同时开始检测交、直流供电信号，当交、直流输入电压均在规定范围内，且都没有超过欠、过压保护点时，优先使用交流供电，交流输入电压有效值范围是160V260V；当交流输入电压有效值不在上述范围之内，且直流输入电压在 20V32V 之间时，控制器将系统供电切换至直流输入部分 14。交流输入部分 15的工作原理是：输入的电网电压经EMI滤波器后整流滤波，产生一个相对平滑的直流电，再经过PFC电路对电流与电压的相位差进行调整，用以提高整机效率，此时再通过PWM电路调节开关管的占空比，用以实现功率变换器频率的转变，并且通过高频变压器完成电压的变换，最后再经过输出整流滤波电路，得到平滑稳定的直流输出。采样电路是对输出电压的采样，通过与基准电压的比较，将采样输出信号反馈到 PWM电路，从而实现对输出电路的调节，以维持输出稳定。保护电路是采集输入整流滤波后的电压信号，使得交流输入电压的有效值范围在160V260V 之间，当输入电压不在上述范围内时，保护电路产生一个反馈信号提供给PWM电路，通过PWM电路控制电路主开关管关断，以使主电路停止工作，从而起到保护的作用。AC/DC 辅助中北大学 2013 届毕业设计说明书第 11 页 共 49 页电源是为电路中的芯片提供工作电压，它的输入由主电路整流滤波后的电压提供，输出分别被应用于PFC 电路、PWM电路、以及保护电路。直流输入部分 16采用有源钳位正激变换电路，其工作原理是：由蓄电池或者其他供电设备提供的直流电压经过滤波后被加到高频变压器初级的一端，高频变压器的另一端连接着两个开关管，其中辅助开关管的漏极通过一个电容与变压器相连，用来实现电压钳位。PWM电路通过控制主开关管与辅助开关管的通断来实现功率的转换，高频变压器一方面起隔离的作用，另一方面实现电压的变换。通过高频变压器后，再经输出整流滤波得到所需的稳定电压，最后连接至与交流端共用的一次电源输出端口。本课题设计中，在PWM电路与开关管之间加入了驱动电路，用来加强电路的驱动能力，以更好的实现电路指标。采样电路用以实现对输出信号的反馈，保护电路用来限制直流输入电压范围处于20V32V之间。因为一次电源交、直流输入部分分别独立工作，同样需要一个辅助电源提供直流部分的驱动电路、保护电路、以及PWM电路。二次电源同样采用有源钳位正激变换电路，它的输入是一次电源的48VDC输出，由于一次电源的输出已经趋于稳定，所以二次电源的设计是在一次电源直流输入部分的基础上去掉了保护电路所实现的。同时与一次电源直流输入部分不同的是，二次电源变压器次级绕组采用了多路输出，用于实现48VDC输出和12VDC输出。电路设计中取48VDC输出为主电路输出，用于采样输出电压，调节PWM控制。12VDC输出端在整流滤波后加入了低压差稳压电路，用于保持电压恒定和滤除有源噪声。2.3 系统电磁干扰设计电磁兼容性（EMC）是指设备不受同一环境中其它设备的电磁影响，可以与其它设备共存并正常工作，同时也不会对其周围的其它设备产生电磁干扰。它包括电磁干扰（EMI） 17和电磁敏感性（EMS）两部分，电磁干扰是指设备对外界产生的电磁影响，电磁敏感性是指设备不受外界环境产生的电磁干扰所影响。电路中引起电磁干扰的因素有很多，通常是从干扰源、受扰设备和两者间的耦合途径这三个方面对电磁干扰进行讨论。干扰源，指电路中任何能产生电磁干扰的元器件，主要是指电压、电流变化大的元器件，集中表现在开关管、二极管、高频变压器等器件上。这些器件工作频率高，在其工作与截止的过程中dt/du、dt/di变化率较大，从而会以高频磁场的方式辐射到空间中，从而对电路产生干扰。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 12 页 共 49 页受扰设备，是指电路中对电磁干扰产生回应的设备，这些设备极易受到干扰信号的影响使得自身性能下降，最终导致整机指标的下降。耦合途径，是指把干扰源与受扰设备连接起来的媒介。导线、磁场等均是干扰信号传播的途径。通过以上分析可知，只需将以上三个方面中的任何一个去除，即可有效地抑制电磁干扰 18，即降低干扰信号、切断传输途径、增强抗干扰能力。一般情况，可以通过增加适当的驱动电路来降低电磁干扰，也可以通过增加吸收电路来延缓干扰源工作状态的转换时间以降低电磁干扰，但后者会导致开关电源效率的下降。在本课题的设计中，主要通过以下方法对电路中的电磁干扰进行了抑制。EMI滤波器的设计：在开关电源的输入端加上EMI滤波器，可以有效的抑制来自电网的噪声，同时还可以防止电源向电网反馈干扰信号。此处主要是对电源输入端与电网之间的传导干扰进行抑制，传导干扰又包括共模干扰和差模干扰两种表现形式。共模干扰是信号对大地的电位差，幅度大、频率高，由各种辐射在导线上的噪声叠加而成，它在导线与地之间传输，属非对称性干扰。差模干扰是信号两极间的干扰，幅度小、频率低，它在信号线间传输，属对称性干扰。图 2.4 EMI 滤波电路图2.4为输入 EMI 滤波电路：F1为保险丝，RT1为热敏电阻，RV1为压敏电阻，C1、C2为X电容，C3、C4为Y电容，BT1为共模线圈，R1、R2为泄放电阻。F1保险丝的选择：根据， minax0iUIP （2-1）中北大学 2013 届毕业设计说明书第 13 页 共 49 页得，AUPIii 47.16085.2mn0ax （2-2）取其额定工作电流为最大工作电流的1.5倍，所以 AIi2.5.1max；保险管电流一般比开关电源的输入峰值电流大1-3倍，在电路设计中留有一定余量，此处取值5A。2.4 电路拓扑选择本章开始介绍了开关电源的主要拓扑结构，结合项目的要求及指标，最终一次电源交、直流输入和二次电源均选用了正激变换器。所谓的正激变换器是指在开关管导通时能量流入负载，正激变换器适用于100W以上且外界干扰比较大的电路。根据要求，一次电源输出功率约150W，二次电源输出功率约120W，均在正激变换器功率范围之内，可以很容易实现本课题设计。如图2.5为基本的正激变换器拓扑，其工作原理如下。当Q1导通，变压器初级绕组Np和次级绕组Nm的同名端相对于异名端为正，电流和能量流入Np的同名端，变压器耦合初级电压，电流从次级绕组Nm的同名端流出，整流二极管D1正向偏置，电流经LC滤波器后流至负载。在Q1导通期间，输出电压Vo可由下式得出：（设Q1导通压降为1V）10DpmdcVNV（2-3）式中： 1D：整流二极管 D1 正向压降。图 2.5 正激变换器当Q1关断时，由于流经变压器初级绕组Np的电流不能突变，所以变压器初级绕组Np 两端的电压反向，此时初、次级绕组的同名端相对于异名端为负，D1截止。同时，由于流经电感L1的电流不能突变，电感极性反转以保持电流不变，此时电感前端电压被续流二极管D2嵌位于负的D1V，负载所需能量由电感提供。其电流回路是，从电感前端输出，经负载后通过续流二极管D2回到电感后端。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 14 页 共 49 页3 一次电源 PFC 电路及 PWM 电路设计3.1 功率因数校正3.1.1 功率因数校正技术介绍功率因数校正 18（PFC） ，英文全称“Power Factor Correction”，它是指有效功率与总耗电量的比值，代表了电子产品对电能的利用效率，功率因数值越高，其利用率越高。功率因数校正的基本原理是通过调整交流输入的电流波形，使其与整流桥后的直流电压波形相位一致，从而使得功率因数趋近于1，以提高整机工作效率。一个高功率因数的电源系统，不仅可以节省电费、稳定电流、提升能源使用率，同时还可以有效降低引起电力污染的谐波。功率因数可由下式求得： coscos11RRIUISPF（3-1）式中：P：有效功率；S：消耗电量；U：输入电压基波有效值； 1I：电流基波有效值； RI：电网电流有效值； ：电流畸变率；cos ：基波电压与基波电流的相位差。由上式可知，导致功率因数下降的原因有两：一是线路电压与电流间的相位角；另一个是电流的波形失真度。PFC分有源PFC和无源PFC两种，目前较流行有源PFC技术。无源PFC一般使用电感、电容、电阻的组合电路来降低交流输入的谐波电流，功率因数校正值仅可以达到70%80%。同时电路设计中需要大量的电容和电感才可以实现，且输出大量无功功率，效率不高，输出纹波较大。有源PFC往往采用集成度很高的IC来控制线路和功率型开关器件，以实现对输入电流波形和输入电压波形相位的调控，使它们相位尽可能的相似。在有源PFC电路设计中，升压斩波电路有着显著的优势：其电感电流连续、电流波形失真小、输出功率大、驱动电路简单，且储能电感还可以用于噪声和电磁干扰的抑制。同时，它的功率校正值可以达到100%，体积小，重量轻，但是成本相对较高。PFC电路根据控制量不同，又可分为电流控制型和电压控制型。它们均具有电压控制环，不同的是电流控制模式还存在电流控制环。它们的工作过程是通过控制开关管的通断来调节电感的工作状态，从而对电路因整流引起的波形畸变进行补偿。电流型控制的优点是：电流瞬态特性优良、易实现过流保护等；电压型控制的优点是：结构简单、工作频率固定、电流不连续、电流自动跟随电压等。3.1.2 功率因数校正工作原理本课题一次电源AC/DC部分采用了有源功率因数校正技术，它可以有效的消除电流中北大学 2013 届毕业设计说明书第 15 页 共 49 页波形形变，且电压与电流的相位可以很好的保持一致。其基本设计思路是，在交流输入端的整流桥和滤波电容之间加入一个DC-DC斩波电路，此时整流桥后的电流波形还未发生形变，通过斩波电路可以使电压与电流相位保持相同。斩波电路是将脉动的直流电变成了高频的交流电，再经过整流滤波电路后，将此处输出的直流电供给PWM电路。从电网输入开始到PWM控制结束，可以将这整个过程看作是AC-DC-AC-DC的变换过程，如图 3.1。图 3.1 PFC 电路框图及各阶段波形上图电路可以看作是由两个开关电源组合而成，一个是由常用的PWM电路构成的开关电源，另一个则是由PFC电路构成的开关电源。与传统的开关电源电路相比，整流桥和滤波电容之间的PFC电路起了一定的隔离作用，避免了因电容充放电而引起的电网电流波形的形变。为了便于分析，现与传统开关电源电路做对比，如图3.2，在传统开关电源中，整流桥后直接与一滤波电容相连，此处将滤波电容后端的电路用一个纯阻性的负载代替。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 16 页 共 49 页图 3.2 传统开关电源整流滤波电路各阶段波形此时，经过整流桥的脉动直流电，在第一个周期0 o180o中，从0 o开始电压逐渐增大，当其输入电压高于二极管导通压降时，二极管导通，同时二极管的导通电流也逐渐增大，由于后端的负载与滤波电容并联，所以流过二极管的电流对电容充电，同时通过电阻产生负载电流。随着输入直流电角度的不断增加，输入电压值也在不断的增加，当达到90 o时，电压值最大，此时滤波电容两端电压也达到最大值。当进入90 o180o时，输入电压逐渐下降，二极管阳极电压低于其阴极电压，所以二极管反偏，此时滤波电容通过负载电阻放电，电容两端电压逐渐下降，直到电容两端电压低于二极管阳极电压时，二极管再次导通对电容进行充电，此处电路如此往复，一直循环的对电容进行充、放电。因为滤波电容容量很大一般有几百微法，短时间内电压幅度变化很小，而且滤波电容的容值越大，二极管的导通角越小。通常在AC输入的半个周期内，只在其峰值附近整流二极管才会导通。这样虽然其输入电压的波形大致可以保持正弦波状，但此处电流的波形呈脉冲状（如图3.2阴影部分） ，且此电流波形中同时含有大量的谐波成份，这就导致线路的功率因数严重下降。在本课题的设计中采用了有源PFC技术，可以很好的提高功率因数，且可很好抑制电流波形的畸变。3.1.3 功率因数校正仿真在本课题设计方案选定之后，为验证系统的可行性，有必要对设计方案进行仿真验证。结合功率因数校正的工作原理，本课题用仿真软件对PFC电路进行了仿真，用于验证交流电通过有源PFC电路之后，电流相位可以很好的与电压相位保持一致。图 3.3 传统开关电源整流滤波仿真电路图3.3为传统开关电源不加PFC电路的仿真电路图，交流电经整流桥后直接与滤波电容相连，之后为负载供电。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 17 页 共 49 页图 3.4 传统开关电源整流滤波电路电压与电流仿真波形图3.4为传统开关电源整流滤波电路的电压与电流仿真波形，图中波浪状波形为整流桥后电压波形，由于后端滤波电容的容量较大，所以波形趋于平滑；脉冲波形为整流桥后电流波形，由上一节可知，滤波电容的容量越大，整流桥二极管的导通角越小，通常二极管只在电压波形峰值附近导通，所以波形呈脉冲状。由图3.4可以看出，电压波形与电流波形存在一定的相位差，所以线路功率因数下降，整机效率不高。图 3.5 有源功率因数校正仿真电路图3.5为加入有源功率因数校正的开关电源仿真电路图，图中电感L1、开关管M1、二极管D5和驱动V2组成一级斩波电路，用于保持电流与电压相位相同，其中开关管工作频率为固定值100kHz。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 18 页 共 49 页图 3.6 有源功率因数校正电路电压与电流仿真波形图3.6为有源功率因数较正电路整流桥后电压与电流的仿真波形，从图中我们可以看到，加入有源功率因数校正电路后，电压波形保持不变，而电流波形不仅出现在电压尖峰处，且充满电路工作的整个阶段，与电压波形很好的保持了一致。图 3.7 有源功率因数校正电路局部电压与电流仿真波形由于有源功率因数校正电路中开关管频率为恒值100kHz，为了便于分析，此处选取时域为300us-800us的局部电压与电流波形进行观察。如图3.7，图中电压呈上升趋势，电流由于斩波电路的作用，被斩成很小的脉冲，其整体趋势与电压波形保持一致呈上升趋势，且脉冲波形充满电路工作的整个阶段。根据以上分析可以得出，仿真波形符合电路的工作原理，在交流电通过有源PFC电路之后，电流相位与电压相位保持一致，满足实验要求，设计方案可行。3.2 NCP1653 芯片介绍本课题设计中，选用的是控制芯片NCP1653 19来实现有源功率因数校正，它工作于电流连续导通模式（CCM） ，具有固定的工作频率，其有平均电流模式和峰值电流模式两种电流控制方式供选择，外围电路使用极少的元器件来实现软启动，并且集成了过、欠压保护，过流保护，过载保护和热关断功能等。它可以工作于跟随升压模式和中北大学 2013 届毕业设计说明书第 19 页 共 49 页恒定输出电压模式下，应用电路简单，可以保持较高的功率因数和效率，其最大输出功率可以达到3kW。3.2.1 NCP1653 的管脚排列及功能图 3.8 NCP1653 内部结构框图NCP1653内部结构框图如图3.8所示，其引脚功能如下：脚1（FB/SD）反馈或关断：该引脚会接收到一个与PFC电路输出电压成比例的反馈电流FBI ，这个电流不仅用于对输出电压的调节，还用于输出过压保护（OVP）和输出欠压保护（UVP） 。当反馈电流I FB 高于107%参考电流I ref 时，过压保护电路被触发，此时7脚的开关管驱动输出停止工作；当反馈电流I FB 低于92%参考电流I ref时，7脚输出驱动进入低损耗的关断模式。脚2（Vcontrol）控制电压或软启动：该引脚的电压直接控制着输入阻抗和电路的功率因数，且该引脚外部接一个电容Ccontrol，用于限制Vcontrol的带宽，此带宽通常低于20Hz。当Vcontrol为0V时，7脚没有输出，因此电容Ccontrol可作为软启动电容。脚3（In）输入电压检测：该引脚流入一个正比于输入电压Vac均方根的电流Ivac，这个电流Ivac用于电路的过功率限制（OPL）和PFC占空比调节。当Ivac*I S的值高于23nA2 时OPL 被触发，此时7脚输出驱动占空比被拉低，电压Vcontrol减小，从而间接的减小输入功率。脚4（CS）输入电流检测：该引脚流出一个与电感电流I L成比例的电流I S ,检测电中北大学 2013 届毕业设计说明书第 20 页 共 49 页流I S可用于过流保护（OCP） 、过功率限制（OPL）和PFC占空比的调节。当I S值高于200uA时，过流保护电路被触发且输出驱动停止工作。脚5（VM）倍增电压：该引脚提供一个用于PFC占空比调节的电压VM，PFC电路的输入阻抗与此引脚外部连接的电阻RM成比例。如果此引脚外部还连接有一个电容CM时，驱动输出工作于平均电流模式；否则，驱动输出工作于峰值电流模式。脚6（GND）芯片地：地。脚7（Drv）驱动输出：该引脚为外部功率MOSFET管提供输出驱动。脚8（Vcc）芯片工作电压：该引脚为芯片提供工作电压，其电压范围在8.75V到18V 之间，低压锁存电压阈值为13.25V。3.2.2 NCP1653 芯片电路在本课题设计中，一次电源要求达到150W的输出功率，考虑到需要一定余量，本课题一次电源输出功率的设计目标为200W。因为NCP1653最大可设计得到3kW的输出功率，所以可以很容易实现上述指标，其应用电路如图3.9。NCP1653的8脚Vcc端通过一个100K的电阻接到整流桥后，用于提供芯片启动电压，而芯片的工作电压Vcc由单独设计的辅助电源提供，此处Vcc为15V。当系统接入电网交流电后，辅助电源独立工作为NCP1653提高工作电压，同时电网220V交流电经过整流桥后，得到一个约310V的脉动直流电，NCP1653的3脚In端通过一个电阻连至此处，芯片检测电阻输出端的电流Ivac，将Ivac与同时检测到的4脚CS端的电流I S通过一个乘法器，并做判断。当Ivac*I S的值低于23nA 2时，可以对PFC占空比进行调节，同时监测过功率保护状态。芯片的1脚FB/SD端通过一个电阻检测PFC电路的输出端，并判断流入此引脚的电流FBI的大小，当I FB处于92%Iref到107%Iref之间时，可以实现对输出电压的调节，并且可以对电路过、欠压状态进行监测。当IvacI S值高于23nA 2，或当I FB不在上述范围之内时，将触发过功率保护、过欠压保护或过流保护模块，并通过芯片内部的逻辑门电路使得7脚Drv端关断，实现保护功能。芯片2脚外部连接一个电容用于实现软启动，同时该引脚受1脚所检测到的电流I FB控制，内部通过逻辑与门判断Vcc和Shutdown模块的信号，当逻辑与门输出高电平时，芯片正常工作；当逻辑与门输出低电平时，将2脚接到地，此时Vcontrol为0V，7脚被关断，芯片停止工作。而5脚VM端内部与乘法器电压VM相连，外部与一个电容相连，此电容用于滤除VM中的高频分量，从而使芯片工作于平均电流模式。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 21 页 共 49 页图 3.9 NCP1653 电路3.3 PFC 电路设计与计算图3.9为基于NCP1653设计的200W功率输出的PFC升压变换电路，它工作于平均电流控制模式，固定输出100kHz的开关频率，交流电压输入范围在160V到260V之间，PFC输出电压为390V。(1) 升压电感的设计：PFC电路中电感L的设计应该满足在电路中电流最大时不饱和，此时输入电压最小，且输出功率达到最大，三者间的关系如下式： (min)ax0(ax)2cinVPI（3-2）式中： (max)inI：最大交流输入电流； (mi)acV：最小交流输入电压； (ax)0：最大输出功率； ：效率（通常效率在 90%以上） 。线圈纹波的峰峰值电流 ripI可以由下式计算得到：)21(0VLfIacacrip（3-3）式中：L：线圈电感量；f：开关频率（固定值100kHz） ；Vac：交流输入电压；Vo：PFC输出电压。通常线圈纹波的峰峰值电流Irip是交流输入电流最大幅值的10%到50%之间，本课题设计中的允许纹波峰值电流取15%，根据式3-2和式3-3可得： (min)ax00(min)(min) 2%15212cacac VPVLf （3-4）中北大学 2013 届毕业设计说明书第 22 页 共 49 页所以：)21(3.00(min(max)in2Vf