主动式PFC电路

1、主动式PFC电路稳定的电源除了能供应系统维持正常的动作外并会影响整个系统的特性，当负载具高电容性或电感性，或者电流波形非弦波时，功率因子远低于1,致使部分功率反馈回 电力的传输在线，因而会增加传输线的负荷与谐波之干扰.再加上当今能源缺乏须节约 能源的趋势下，设计生产高效率的电源减少干扰和能源浪费成为众所追求的目标，为了 达到这个目标必须提高电源的功率因子(Power Factor,简称PF). PFC即功率因子校正 (Power Factor Correction),其作用就是为了提高功率因子.LITEON生产的电源产品主要 为开关电源(Switching Power Supply,简称SPS

2、),本文将针对SPS的主动式PFC(Active Power Factor Correction,简称 APFC)电路进行探讨.PF的相关知识1. 正弦电路的功率因子任一网络N在图标关联参考方向下输入网络的瞬时功率P等于电压与电流瞬时值的乘积，即： p=u*i设正弦电压和电流分别为：u= .2 U*Cos 31i= 2 U*Cos( 31- © )(©为端口电压与电流的相位差贝U有 p=u*I= . 2 U*Cos 31* 2 U* Cos( 3 t-© )=U*I*Cos © +Cos(2w t- © )可见瞬时功率是由恒定分量UICos &

3、#169;和正弦分量两部分组成，正弦分量的频率是电压频 率的两倍其中感性网络中© >0,容性网络中© <0.此时电压和电流的波形如图由图 可见在每一个周期内有两段时间内 u和I的实际方向相反，此时p<0,即网络内部储能组 件把储存的电磁能量返回电源的缘故瞬时功率的实际意义不大，通常用平均功率P(又称有功功率)来反映网络实际吸收 的功率根据定义：P=丁 pdt = ¥ *0 " TT0 UI CosCos(2 t )dt=U*I*Cos ©Cos©称为电路的功率因子，©功率因子角(也就是阻抗角),当电流与电压

4、的参考 方向相同时，UICos©表示吸收功率.电路的功率因子直接影响发电设备的利用率，如一额定电压UN=1000V,额定电流 |n=100A的发电机,在负载功率因子为0.5时只能发出1000*100*0.5=50KW.只有当负载的 功率因子为1时，才能发出100KW的功率.另一方面当输送相同的功率时，功率因子低, 则电流就大，流过线路时，损耗也就增大.2. AC-DC电路的输入电流谐波分量和功率因子在AC-DC开关电源的输入端,AC电源经全波整流后,一般接一个大电容,如图,以 得到波形比较平直的直流电压.整流器一电容滤波电路是一种非线性组件和储能组件的 组合.因此，虽然输入正弦交流电

5、压，但电流波形却严重畸变，呈脉冲状，如图.由此可见，大量应用整流电路，会使电网供给严重畸变的非正弦电流，造成的严重 后果是：谐波电流对电网有严重的危害，并且输入端功率因子下降.脉冲状的输入电流，含有大量谐波，一方面使谐波躁音水平提高，同时在AC -DC 整流电流的输入端必需增加滤波器.对上图的电流波形，可用傅里叶级数展开，得到各 次谐波分量的百分比,总的谐波电流分量（或称总谐波畸变 Total Harmonic Distortion用 THD表示.大量的电流谐波分量倒流入电网（称为Harm on ic Emissio n）,造成对电网的谐波”污 染” 一方面产生”二次效应”即电流流过线路阻抗造

6、成谐波电压降，反过来使电网电压 （原来是正弦波）也产生畸变；另一方面，会造成电路故障，使变电设备损坏上面讲到正弦电路的功率因子用 Cos©表示.由于整流电路中二极管的非线性，尽 管输入电压为正弦，电流却为严重非正弦，因此正弦电路的功率因子计算不再适用于 AC-DC变流电路，后续用PF（Power Factor）表示功率因子.定义：PF二有功功率/伏安=P/（U*I）设AC-DC变流的输入电压（有效值U）为正弦，输入电流为非正弦，其有效值为：1= Ii2i2式中，片、I 2、I n、分别为电流的基波分量、二次谐波、 n次谐波的有效值.设基波电流落后Vi相位差为©，则有功功率和

7、功率因子可表示为P=U*I 1*Cos©PF=U*l1*Cos© /VI= I1 *Cos © /I式中|l/l=|l/li l2 . In .为基波电流相对值,称为畸变因子(Distortion Factor), Cos© 称为位移因子(Displacement Factor).定义总谐波畸变THD= lh/l；=. (I；I：)/；贝UPF= Cos© / J THD23. 提高AC-DC电路输入端功率因子和减小电流谐波的主要方法a. 无源滤波器这一方案是电路的整流器和电容之间串联一个滤波电感，或在交流侧接入谐振滤波器.其主要优点是：简单、

8、成本低、可靠性、EMI小.主要缺点是：尺寸和重量大，难以得到高功率因子(一般可提高到0.9左右)，工作性 能与频率、负载变化及输入电压变化有关，电感和电容间有大的充放电电流等.b. 有源滤波器(或称主动式功率因子校正器)在整流器和负载之间接入一个 DC-DC开关变换器，应用电流反馈技术，使输入端电 流波形跟踪交流输入正弦电压波形，可以使电流接近正弦.从而是输入端THD小于5%, 而功率因子可提高到0.99甚至更高.此种方案即主动式PFC(Active Power Factor Correction),简称 APFC.它的主要优点是：可得到较高的功率因子；THD小；可在较宽的输入电压范围和宽 带

9、带下工作；体积和重量小；输出电压可保持恒定.主要缺点是：电路复杂；MTBF下降；成本高;EMI高；效率会有所下降.二.Boost功率因子校正器(Boost-APFC)的工作原理1. APFC的基本原理.从原理上讲，任何一种DC-DC变换器拓朴都可以用作 APFC的主电路.但是，由于 Boost变换器的特殊优点，应用于APFC更为广泛.下面以Boost-APFC为例，说明APFC 电路的基本工作原理.下图为Boost-APFC电路的原理图.主电路有单相桥式整流器和 DC-DC Boost变换 器组成，虚线框内为控制电路，包括：电压误差放大器VA及基准电压Vr,电流误差放大 器CA,乘法器M,脉宽

10、调制器(图中未给出)和驱动器等，负载可以是一个开关电源.PFC工作原理如下：主电路的输出电压Vo和基准电压Vr比较后,输入给电压误差 放大器VA,整流电压Vdc检测值和VA的输出电压信号共同加到乘法器 M的输入端,乘 法器M的输出则作为电流反馈控制的基准信号，与开关电流is检测值比较后，经过电流 误差放大器CA加到PWM及驱动器,以控制开关Tr的通断,从而使输入电流（即电感电 流）iL的波形与整流电压Vdc的波形基本一致，是电流谐波大为减少，提高了输入端功 率因子，由于功率因子校正器同时保持输出电压恒定，使下一级开关电源设计更容易上图中给出输入电压波形 Vdc、Vi和经过校正的输入电流iL、波

11、形,输入电流 PWM频率调制,使原来呈脉冲状的波形,调制成接近正弦（含有高频纹波）的波形.在一 个开关周期内，具有高频纹波的输入电流，取每个开关周期的平均值，则可得到较为光 滑的近似正弦波.2. APFC的控制方法常用的控制AC-DC开关变换器实现APFC的方法基本上有三种,即电流峰值控制 电流滞环控制，以及平均电流控制区别如下表：控制方法检测电流开关频率工作模式对躁音适用拓朴备注电流峰值开关电流恒定CCM敏感Boost需斜率补偿电流滞环电感电流变频CCM敏感Boost需逻辑控制平均电流电感电流恒定任意不敏感Boost需电流误差放大由于平均电流控制较电流峰值控制，电流滞环控制性能优越，且目前主

12、流PFC控制IC大多使用平均电流控制模式,如UC3845、ML4824等,故在此仅讨论平均电流模式 如图,为平均电流控制的Boost-APFC电路的原理图,其主要特点是使用电流误差 放大器（或动态补偿器）CA.訥律说沬柠斜的瓯观坷辛曾亦桩卫建踣傑理層其工作原理如下：电流误差放大器的电流基准值由乘法器输出 Z供给,Z=XY.乘法器有 两组输入,一个为X,是输出电压Vo/H与基准电压Vref之间的误差（经过电压误差放大 器VA）信号,另一个输入丫为电压Vdc检测值Vdc/K, Vdc为输入正弦电压Vi的全波整流值，因此电流基准为双半波正弦电压.电感电流iL被直接检测，与基准电压比较后 其高频分量的

13、变化通过电流误差放大器，被平均化处理.放大后的平均电流误差与锯齿 波斜坡相比较后,给开关Tr以PWM信号并控制Tr的占空比D(Duty Cycle).于是电流 误差被迅速而精确的校正三.APFC集成控制电路的工作原理简介为便于研制和生产主动式有源功率因子校正器，现在APFC的控制电路已经集成化. 有多种APFC集成控制电路芯片可供选用.这里以Micro Liner公司生产的ML4824芯片 为例,说明APFC集成控制电路基本组成和应用.ML4824是一颗集成PFC和PWM控制的芯片，其PFC部分具有平均电流模式控制; 恒频控制等特点1. ML4824的内部结构框图及端子功能说明下图为ML482

14、4的内部结构框图.由图可见，ML4824包括电流放大器IEA，模拟平 方/乘法/除法器(Gain Modulator,以下简称GM),震荡器，功率MOS管的门极驱动器， 7.5V基准电压，以及软启动，过流/过压保护等.CraCULLAiiOK1.5V闭HI H g一 dV0U1 叩 «&llTITpw wr IwnnuT !<>-1I模拟平方/乘法/除法器GM如下图:加问msgf丄GM的输入由三部份组成：1) Iac:提供一个正弦电压的相位参考，它与Im成正比;2) Irms:输入电压的均方根，其平方值与Im成反比；3) Veao: PFC输出反馈值与基准电压2.

15、5V经VEA比较放大后的输出,同时外接RC 网络(网络的另一端接GND),用来作电压回路的补偿；Im与lac、Irms和Veao的关系为：2lm=K*lac*(Veao-Vx)/ Vrms式中K为比例常数，从Veao中减去Vx是芯片设计的要求，一般为1.5V. lac与Vrms为 电压前馈(Feedforward)的作用,使输入电压变化时输入功率稳定.例如设Veao不变而输 入电压增加一倍,lac和Vrms也增加一倍，则Vrms2为四倍，可得Im将减半，结果输入功 率不变.Im输出电流信号大小，成为了控制PFC开关on-off时间的重要因素.Im的输出 电流经由电流误差放大器IEA所产生的信号

16、和一三角波(由Ramp1之外接电路RC而来) 比较,以控制PFC开关之on-off之时间.ML4824其内部分为两大部分,即前端之功率因子修正(PFC)部分,与后端波宽调变(PWM)之部分,其PFC之动作时机采leading edge,而PWM则为trailing edge.VVTraili ng edgeML4824由16个端子(Pin),依次(按序号)为:1) .leao: PFC IEA的输入端，同时外接RC网络(网络的另一端接Vref参考电压),用 来作电流回路的补偿；2) .lac;3) .lsense:电流Sense信号的输入,以限制PFC电路的总电流.一般接一 Sense电阻,

17、当电流流过此电阻时,在Rsense上产生一压降.同时给Isense提供一负电压.电流越大 则负电压绝对值越大,当低于-1V时即|Isense|>1时,PFC Ilimit将动作,将PFC out讯号 拉低，以作PFC Ilimt保护；4) .Vrms;5) .SS:软启动(Soft Start),要求外接一电容 Css,当其被充电至8V时,PWM开始动 作,其Delay时间可由T=Css*1.25V/50uA估算出来,如当Css=1uF时，T为25mS;6）.Vdc: PWM电压的反馈输入；7）.Ramp1:外接RtCt用以设定PFC电路的开关频率.公式为f=1/0.51（Rt+961C

18、t）Ct, ML4824-2的PWM的开关频率为PFC的两倍,而ML4824-1的两不部分频率相等；8）.Ramp2:当其工作在电压模式时，作为PWM输入（即 PFC的输出）的前馈.当PFC 电压低时增大PWM的输出占空比（Duty cycle）.工作在电流模式时作为电流 Sense输入；9）.DC Ilimit: PWM 电流的Sense, 一般用来检测PWM MOS的电流.当其超过1V时, 会拉低PWM的输出；10）.GND:接地端.所有电压的量测以之为准；11）.PWM out: PWM的驱动输出；12）.PFC out: PFC out的驱动输出;13）.Vcc: IC的供电电压端；1

19、4）.Vref:基准电压端,产生7.5V输出；15）.Vfb: PFC输出电压的检测端,接VEA的负端,用来与2.5V基准电压比较得到 Veao,另外其在电路还有两种功能,当其大于2.7V时，OVP将动作，将PFC out讯号拉低, 以作PFC过压保护,开机时,当其小于2.5V时，迟滞比较器Vin OK将PWM out讯号拉 低 以作PWM Soft Star欠压保护（当正常工作后因Vin OK为迟滞比较器,故Vfb即使低 于2.5V,其PWM也可正常工作）;16）.Veao.一般说来，当交流电经EMI与桥式整流后，其电压电流尚未经过内部烦杂的电子电 路时,其所受之noise干扰最小,故ML4

20、824之GM所取的电压及电流会从此端取得.2. ML4824 PFC逻辑及保护电路部分说明：（见ML4824的内部结构框图）if PFC输出为1 （正常）=> 1234为0; if 1.为0 => S为0 => 56为0,当Vfb过高（高 于 2.7V 时）,OVP output 为 1,即 5.为 1; if 5.为 1 => PFC 为 0;当 Isense过低（低于-1V 时）, PFC limit output 为 1,即 6.为 1, if 6.为 1 => PFC 为 0; if PFC 输出为 1 （正常为0; if 2.为0 => R为1,即7为1 => 8为0;应为9.（水平讯号）与10.（三角波讯号）为比较 器+端与-端之输入,if 8.为0 => 10.>9.时动作,此即前所述PFC之leading edge.3. ML4824应用范例LITEON的File Server及 Work Station机种中所使用的 APFC芯片一般为 ML4824 和ML4800两种，ML4800与ML4824功能与原理大致相同.而在ML-4824中选用的都 是ML4824-1型，即PFC与PWM部分开关