NCP1650型功率因数校正器

NCP1650型功率因数校正器的工作原理 NCP1650是 美 国 Onsemi公 司 于 2002年 3月 新 推 出 的 功 率 因 数 校 正 集 成 电 路 专 利 产 品 ， 可 对 85 265V、 50Hz或 60Hz交 流 电 源 系 统 的 功 率 因 数 进 行 自 动 校 正 ， 大 大 提 高 电 能 利 用 率 ， 达 到 节 能 目 的 。 NCP1650采 用 固 定 频 率 、 平 均 电 流 式 脉 宽 调 制 器 ， 可 广 泛 用 于 服 务 器 等 设 备 的 交 流 电 源 系 统 中 ， 并 可 作 为 分 布 式 电 源 系 统 的 前 端 校 正 器 ， 构 成 1kW以 下 的 功 率 因 数 校 正 器 ， 功 率 因 数 可 达 0.95 0.99。 1 功 率 因 数 校 正 器 概 述 目 前 ， 在 液 晶 电 视 机 电 源 电 路、开 关 电 源 、 电 子 镇 流 器 、 交 流 变 频 调 速 器 等 装 置 中 的 AC DC变 换 器 ， 都 是 由 桥 式 整 流 器 与 电 容 滤 波 器 构 成 的 。 由 于 大 容 量 滤 波 电 容 器 的 存 在 ， 使 得 整 流 二 极 管 的 导 通 角 变 得 很 窄 ， 仅 在 交 流 电 压 的 峰 值 附 近 才 能 导 通 ， 致 使 交 流 电 流 产 生 严 重 的 失 真 ， 变 成 了 尖 峰 脉 冲 。 这 种 电 流 波 形 中 包 含 了 大 量 的 谐 波 分 量 ， 经 滤 波 后 输 出 的 有 功 功 率 就 会 显 著 降 低 。 因 此 ， 普 通 AC DC变 换 器 的 功 率 因 数 很 低 ， 只 能 达 到 0.6左 右 。 交 流 供 电 设 备 的 功 率 因 数 是 在 电 流 波 形 无 失 真 情 况 下 定 义 的 。 造 成 功 率 因 数 降 低 的 原 因 有 两 个 ： 一 是 电 流 波 形 的 相 位 漂 移 ， 二 是 电 流 波 形 存 在 失 真 。 相 位 漂 移 通 常 是 由 电 源 的 负 载 性 质 （ 感 性 或 容 性 ） 而 引 起 的 ， 在 这 种 情 况 下 对 功 率 因 数 的 分 析 相 对 简 单 ， 一 般 可 用 公 式 cos =P UI来 计 算 。 但 是 当 电 流 波 形 存 在 失 真 时 ， 分 析 起 来 就 比 较 复 杂 ， 通 常 需 要 用 计 算 机 来 仿 真 或 者 用 交 流 分 析 仪 来 测 量 功 率 因 数 （ ） 值 。 对 功 率 因 数 校 正 前 、 后 的 波 形 比 较 如 图 1所 示 。 图 1（ a） 为 未 进 行 功 率 因 数 校 正 的 普 通 隔 离 式 电 源 变 换 器 的 电 压 与 电 流 波 形 图 ， 其 电 流 波 形 已 严 重 失 真 。 图 1（ b） 为 进 行 功 率 因 数 校 正 后 的 u、 i波 形 图 ， 其 电 流 波 形 无 失 真 且 与 电 压 波 形 的 相 位 保 持 一 致 。 导 致 电 流 波 形 失 真 的 主 要 原 因 是 交 流 电 经 过 整 流 后 的 电 流 不 能 跟 随 电 压 波 形 的 变 化 。 而 功 率 因 数 校 正 器 的 作 用 就 是 强 迫 线 电 流 能 跟 随 线 电 压 波 形 的 变 化 ， 它 不 仅 能 提 高 交 流 电 源 变 换 器 的 功 率 因 数 ， 还 可 以 抑 制 谐 波 ， 减 小 峰 值 电 流 和 有 效 值 电 流 ， 消 除 基 波 的 相 位 漂 移 。 传 统 的 功 率 因 数 概 念 是 基 于 线 性 负 载 条 件 得 到 的 ， 它 要 求 交 流 设 备 中 的 电 压 与 电 流 为 相 同 频 率 的 正 弦 波 ， 因 此 可 通 过 在 感 性 负 载 两 端 并 联 移 相 电 容 来 校 准 功 率 因 数 ， 这 种 方 法 被 称 作 无 源 功 率 因 数 校 正 。 但 无 源 功 率 因 数 校 正 器 存 在 着 局 限 性 ， 它 不 仅 体 积 庞 大 、 笨 重 、 价 格 高 ， 而 且 只 对 基 波 的 相 移 加 以 补 偿 。 它 仅 对 某 些 特 定 的 谐 波 具 有 抑 制 作 用 。 目 前 在 电 力 电 子 设 备 及 开 关 电 源 中 ， 存 在 着 大 量 的 非 线 性 负 载 （ AC DC变 换 器 中 的 桥 式 整 流 滤 波 器 即 是 最 典 型 的 例 子 ） ， 这 时 传 统 的 无 源 功 率 因 数 校 正 已 难 于 胜 任 。 为 了 适 应 电 力 电 子 技 术 的 发 展 ， 自 20世 纪 90年 代 以 来 ， 有 源 功 率 因 数 校 正 APFC（ Active Power Factor Correction） 技 术 得 到 迅 速 推 广 。 它 是 在 桥 式 整 流 器 与 输 出 电 容 滤 波 器 之 间 加 入 一 个 功 率 变 换 电 路 ， 将 输 入 电 流 校 正 成 与 输 入 电 压 相 位 相 同 且 不 失 真 的 正 弦 波 ， 使 功 率 因 数 接 近 于 1。 交 流 输 入 电 压 经 桥 式 整 流 后 ， 得 到 全 波 整 流 电 压 uL（ 亦 称 线 路 电 压 ） ， 再 经 DC DC变 换 后 ， 通 过 控 制 器 使 线 路 电 流 的 平 均 值 （ Iavg） 能 自 动 跟 随 全 波 整 流 电 压 基 准 （ uREF） 的 变 化 ， 并 获 得 稳 定 的 直 流 高 压 输 出 （ 通 常 UO=400V） ， 给 负 载 提 供 直 流 电 压 源 。 有 源 功 率 因 数 校 正 器 主 要 包 括 乘 法 器 和 电 流 控 制 器 。 早 期 的 有 源 功 率 因 数 校 正 器 是 用 分 立 元 件 构 成 的 。 近 年 来 各 种 集 成 功 率 因 数 校 正 器 已 大 量 投 放 市 场 ， 其 控 制 功 能 和 技 术 指 标 也 在 不 断 提 高 。 由 美 国 Onsemi公 司 最 新 推 出 的 NCP1650型 功 率 因 数 校 正 器 集 成 电 路 ， 是 一 种 性 能 优 良 的 APFC芯 片 。 2 NCP1650型 功 率 因 数 校 正 器 的 性 能 特 点 1） 它 采 用 基 于 固 定 频 率 的 平 均 电 流 式 脉 宽 调 制 器 ， 能 精 确 地 设 定 输 入 功 率 和 输 出 电 流 的 极 限 值 ， 适 合 构 成 从 100W至 1kW的 功 率 因 数 补 偿 器 。 其 交 流 输 入 电 压 范 围 是 85 265V， 适 用 于 50Hz或 60Hz电 网 频 率 。 PFC的 直 流 输 出 电 压 被 设 定 为 400V（ 额 定 值 ） ， 能 满 足的 条 件 。 2） NCP1650被 设 计 成 “ 真 功 率 （ True Power） ” 限 制 电 路 。 所 谓 真 功 率 ， 是 指 电 源 系 统 在 交 流 电 的 一 个 周 期 内 所 消 耗 的 平 均 功 率 。 NCP1650即 使 工 作 在 恒 功 率 模 式 ， 也 能 保 持 很 高 的 功 率 因 数 。 3） 内 部 使 用 了 功 率 乘 法 器 和 基 准 乘 法 器 ， 与 传 统 的 线 性 模 拟 乘 法 器 相 比 ， 能 显 著 提 高 运 算 精 度 。 利 用 锯 齿 波 补 偿 电 路 和 平 均 电 流 补 偿 电 路 ， 可 对 线 路 及 负 载 进 行 快 速 补 偿 。 4） 集 成 度 高 。 片 内 有 3个 误 差 放 大 器 （ 直 流 误 差 放 大 器 、 交 流 误 差 放 大 器 、 功 率 误 差 放 大 器 ） ， 1个 电 流 检 测 放 大 器 ， 3个 比 较 器 （ PWM比 较 器 、 掉 电 比 较 器 、 过 冲 比 较 器 ） ， 2个 缓 冲 器 （ 基 准 电 压 缓 冲 放 大 器 、 交 流 基 准 缓 冲 器 ） ， 以 及 2个 乘 法 器 。 3个 误 差 放 大 器 均 属 于 跨 导 式 放 大 器 ， 其 增 益 就 等 于 跨 导 （ gm） 与 阻 抗 负 载 （ RL） 的 乘 积 。 5） 具 有 完 善 的 保 护 功 能 ， 包 括 电 源 欠 压 保 护 、 掉 电 保 护 、 输 出 电 压 过 冲 保 护 、 最 大 输 入 功 率 限 制 、 线 电 流 及 瞬 态 电 流 限 制 、 软 启 动 电 路 。 一 旦 发 生 过 压 过 载 故 障 ， 能 确 保 电 源 和 设 备 不 受 损 坏 。 3 NCP1650型 功 率 因 数 校 正 器 的 工 作 原 理 NCP1650型 功 率 因 数 校 正 器 采 用 SO 16封 装 ， 内 部 框 图 如 图 2所 示 。 各 引 脚 的 功 能 如 下 ： UCC、 GND分 别 为 工 作 电 源 端 和 公 共 地 ， UCC的 极 限 值 为 18V， 典 型 值 为 14V， 当 UCC 10.5V时 进 行 欠 压 保 护 ； UREF为 6.5V直 流 基 准 电 压 引 出 端 ， 为 使 基 准 电 压 稳 定 ， 该 端 对 地 需 接 一 只 0.1 F的 消 噪 电 容 ； AC COMP为 交 流 补 偿 端 ， 外 接 阻 容 元 件 对 交 流 误 差 放 大 器 进 行 频 率 补 偿 ； AC REF为 交 流 误 差 放 大 器 的 参 考 电 压 引 出 端 ， 外 接 一 只 滤 波 电 容 ， 交 流 误 差 放 大 器 属 于 跨 导 放 大 器 ， 接 高 阻 抗 负 载 ； AC IN为 交 流 输 入 端 ， 整 流 后 的 全 波 整 流 电 压 经 电 阻 分 压 器 接 至 此 端 ； FB SD（ Feedback Shutdown） 为 反 馈 掉 电 端 ， 直 流 输 出 电 压 通 过 电 阻 分 压 器 为 该 端 提 供 4.0V（ 典 型 值 ） 的 反 馈 电 压 ， UFB还 被 引 到 掉 电 比 较 器 的 反 相 输 入 端 ， 当 UFB 0.75V时 ， 就 进 行 掉 电 保 护 ， 禁 止 芯 片 输 出 ； LOOP COMP为 电 压 控 制 环 的 补 偿 端 ， 外 接 RC串 联 网 络 ， 对 直 流 误 差 放 大 器 进 行 频 率 补 偿 ； PCOMP为 功 率 控 制 环 的 补 偿 端 ， 外 接 RC并 联 网 络 ， 对 功 率 误 差 放 大 器 进 行 频 率 补 偿 ； PIM为 最 大 输 入 功 率 设 定 端 ， 利 用 外 部 电 阻 可 设 定 最 大 输 入 功 率 值 ； Iavg为 最 大 平 均 电 流 设 定 端 ， 外 接 一 只 低 温 度 系 数 的 金 属 膜 电 阻 ， 可 设 定 最 大 平 均 值 电 流 和 电 流 检 测 放 大 器 的 增 益 ； Iavg fltr为 外 接 滤 波 电 容 ， 滤 除 瞬 态 电 流 波 形 中 的 高 频 成 分 ， 获 得 线 电 流 的 平 均 值 ； IS 为 负 极 性 的 电 流 检 测 输 入 端 ， 外 接 线 电 流 检 测 电 阻 RS； RAMP COMP为 锯 齿 波 补 偿 端 ， 亦 称 斜 坡 （ RAMP） 补 偿 端 ； CT为 外 接 定 时 电 容 端 ； OUT为 输 出 端 ， 可 直 接 驱 动 MOSFET或 者 IGBT， 亦 可 通 过 外 部 驱 动 管 来 驱 动 更 大 功 率 的 MOSFET。 芯 片 内 部 主 要 包 括 10部 分 ： 带 隙 基 准 电 压 源 及 缓 冲 放 大 器 ； 振 荡 器 及 锯 齿 波 补 偿 电 路 ； 基 准 乘 法 器 与 功 率 乘 法 器 ； 误 差 放 大 器 ； 电 压 功 率 “ 或 ” 网 络 ； 平 均 电 流 补 偿 电 路 ； 电 流 检 测 放 大 器 ； 脉 宽 调 制 器 及 逻 辑 电 路 ； 驱 动 器 ； 保 护 电 路 （ 含 输 出 电 压 过 冲 保 护 、 欠 压 保 护 、 掉 电 保 护 、 线 电 流 及 瞬 态 电 流 限 制 电 路 、 最 大 输 入 功 率 限 制 电 路 和 软 启 动 电 路 ） 。 下 面 介 绍 主 要 单 元 电 路 的 工 作 原 理 。 3. 1 PFC控 制 环 基 本 电 路 的 工 作 原 理 PFC控 制 环 的 基 本 电 路 如 图 3所 示 。 uL为 桥 式 整 流 后 的 电 压 ， 称 之 为 线 电 压 。 因 输 入 滤 波 电 容 C1的 容 量 很 小 ， 故 uL为 全 波 整 流 电 压 。 uL经 分 压 后 得 到 u1， 加 至 AC IN端 。 该 控 制 环 路 有 3种 输 入 信 号 ， 分 别 为 从 AC IN端 输 入 的 全 波 整 流 电 压 u1， 从 FB SD端 输 入 的 直 流 反 馈 电 压 UFB， 从 IS 端 输 入 的 线 电 流 信 号 iIN。 PFC控 制 环 的 基 本 原 理 是 由 交 流 误 差 放 大 器 根 据 交 流 输 入 电 压 与 交 流 输 入 电 流 的 参 数 来 控 制 电 源 开关 ， 将 输 入 电 流 变 成 高 质 量 的 正 弦 波 ， 从 而 使 功 率 因 数 接 近 于 1。 基 准 乘 法 器 的 一 个 输 入 端 接 u1， 另 一 端 接 直 流 误 差 电 压 Ur， 再 利 用 Ur去 调 节 u1， 使 基 准 乘 法 器 输 出 的 交 流 基 准 电 压 （ uREF） 为 不 失 真 的 全 波 整 流 波 形 。 交 流 误 差 放 大 器 的 同 相 输 入 端 接 uREF， 电 流 检 测 放 大 器 输 出 的 高 频 电 流 信 号 i2则 送 至 反 相 输 入 端 ， 有 关 系 式 i2=kiIN。 与 此 同 时 ， u1还 通 过 平 均 电 流 补 偿 电 路 输 出 电 压 u2， 也 加 到 交 流 误 差 放 大 器 的 反 相 输 入 端 。 该 放 大 器 输 出 的 交 流 误 差 电 压 为 ur。 uREF与 u2、 iIN的 关 系 式 为 uREF=u2kiIN（ 1） 式 中 ： u2=0.75u1， 比 例 系 数 k=8.0。 PFC电 路 中 的 工 作 波 形 如 图 4 所 示 。 图 中 的 4.0V为 内 部 基 准 电 压 。 ur 为 叠 加 上 高 频 电 流 i1以 后 的 交 流 误 差 电 压 ， 该 电 压 就 作 为 PWM比 较 器 的 输 入 信 号 。 从 图 上 可 以 看 出 kiIN在 每 个 时 钟 周 期 内 的 变 化 情 况 。 在 ur 的 波 形 中 ， 电 流 信 号 i1已 完 全 能 够 跟 随 ur 的 变 化 ， 从 而 实 现 了 功 率 因 数 校 正 的 目 的 。 PWM比 较 器 将 ur 与 4.0V基 准 电 压 进 行 比 较 ， 再 利 用 二 者 的 差 值 去 控 制 MOSFET的 关 断 时 刻 。 当 时 钟 信 号 来 到 时 MOSFET开 通 ， 直 到 ur 的 瞬 时 值 达 到 4.0V时 才 关 断 。 3.2 振 荡 器 及 锯 齿 波 补 偿 电 路 该 振 荡 器 能 产 生 两 路 信 号 ， 一 路 为 锯 齿 波 信 号 ， 作 为 开 关 频 率 信 号 ； 另 一 路 为 时 钟 脉 冲 ， 作 为 RS触 发 器 的 复 位 信 号 。 锯 齿 波 频 率 和 时 钟 频 率 的 典 型 值 均 为 100kHz。 振 荡 频 率 与 定 时 电 容 的 定 性 关 系 为 f=47000 CT（ 2） 式 中 ： CT的 单 位 是 pF， f的 单 位 是 kHz。 通 常 取 CT=470pF， 使 f=100kHz。 3.3 乘 法 器 与 传 统 的 线 性 模 拟 乘 法 器 不 同 ， NCP1650使 用 的 是 基 准 乘 法 器 和 功 率 乘 法 器 ， 这 两 种 新 型 乘 法 器 能 大 大 提 高 运 算 精 度 ， 使 输 出 信 号 量 的 误 差 极 小 。 乘 法 器 的简 化 电 路 如 图 5所 示 。 每 个 乘 法 器 都 有 两 个 输 入 端 、 一 个 输 出 端 。 其 中 ， A输 入 端 接 一 个 电 压 电 流 （ U I） 转 换 器 ， 可 将 UA信 号 转 换 成 电 流 信 号 IA。 P输 入 端 接 PWM比 较 器 的 同 相 输 入 端 。 乘 法 器 的 增 益 则 由 U I转 换 器 的 电 压 电 流 比 率 、 电 阻 R、 锯 齿 波 的 峰 值 电 压 与 谷 值 电 压 所 决 定 。 当 锯 齿 波 达 到 峰 值 时 ， 在 R上 就 获 得 输 出 电 压 ， 该 电 压 与 UA、 UP的 乘 积 成 正 比 。 RC滤 波 器 的 极 点 频 率 应 高 于 2倍 的 电 网 频 率 ， 对 50Hz交 流 电 而 言 ， 就 应 高 于 100Hz， 但 不 得 超 过 100kHz。 功 率 乘 法 器 中 设 有 U I转 换 器 。 电 流 检 测 放 大 器 的 输 出 电 流 直 接 加 到 A输 入 端 。 功 率 乘 法 器 的 增 益 受 外 部 电 阻 R3、 R8的 控 制 。 如 图 6所 示 ， 其 中 ， R3为 最 大 输 入 功 率 （ PIM） 的 设 定 电 阻 。 乘 法 器 的 输 出 端 还 接 有 滤 波 电 容 C5。 R8为 最 大 平 均 值 电 流 设 定 端 （ 即