PFC电路使用UC3854的计算

PFC电路使用UC3854的计算在现代电力电子设备中，功率因数校正（PFC）技术已成为提升能源利用效率、减少电网污染的关键手段。UC3854作为一款经典的电流型PFC控制器，以其简洁的外围电路、可靠的工作性能，在中小功率PFC应用中占据一席之地。本文将围绕UC3854控制器，详细阐述连续导电模式（CCM）下PFC电路的核心参数计算方法，为实际工程设计提供参考。一、设计目标与参数确定进行PFC电路设计前，首先需明确具体的设计目标与工作参数。这些参数是后续所有计算的基础。典型的设计输入参数包括：*输入交流电压范围（Vin）：如常见的AC85V~265V，或特定地区的电网电压。*输出直流电压（Vo）：根据后级电路需求确定，通常高于输入交流电压的峰值，例如AC220V输入时，Vo可取380V或400V。*额定输出功率（Po）：即PFC电路所能提供的最大有功功率。*开关频率（fsw）：由控制器的工作特性及功率器件的开关性能综合决定，UC3854的开关频率通常可设定在几十kHz到上百kHz。*预期功率因数值（PF）：一般要求达到0.9以上，高性能设计可接近1.0。在确定了上述基本参数后，便可着手进行主电路元件的计算。二、主功率电感L的设计与计算主功率电感是PFC电路中的关键元件，其值直接影响电路的工作模式、电流纹波及开关器件的应力。对于连续导电模式（CCM）的Boost型PFC电路，电感L的设计至关重要。1.电感电流的峰值与有效值在CCM模式下，电感电流在整个开关周期内都保持连续。其峰值电流ILpeak不仅决定了电感的饱和特性，也影响着开关管和二极管的电流应力。首先计算电感电流的平均值ILavg，它等于Boost变换器的输入电流平均值Iin_avg。考虑到PFC电路的效率η，输入有功功率Pin=Po/η。在输入电压为交流正弦波的情况下，输入电流的平均值Iin_avg（即电感电流的平均值）可由下式估算：Iin_avg=Pin/(Vin_rms*PF)其中Vin_rms为输入交流电压的有效值。在最恶劣情况下，即输入电压最低（Vin_min）且负载最重时，电感电流的平均值最大，此时对电感的要求也最高。因此，电感设计通常基于Vin_min工况。Vin_min对应的峰值电压Vin_min_peak=Vin_min*√2。Boost变换器在CCM下的占空比D与输入输出电压关系为：D=1-(Vin_peak/Vo)，其中Vin_peak为瞬时输入电压峰值。在Vin_min_peak时，占空比达到最大Dmax=1-(Vin_min_peak/Vo)。电感电流的峰值ILpeak可表示为：ILpeak=ILavg_max*(1+ΔIL/(2*ILavg_max))=ILavg_max+ΔIL/2，其中ΔIL为电感电流的峰-峰值纹波。电感电流纹波ΔIL=(Vin_peak*D)/(L*fsw)。为保证CCM运行，通常选择在Vin_min_peak时，电感电流的最小瞬时值（ILpeak-ΔIL）仍大于零。工程上，常取电流纹波系数Kri=ΔIL/ILavg_max，一般Kri取值在0.2~0.4之间。对于UC3854控制的PFC，其峰值电流控制模式下，适当的纹波有助于电流环的稳定。2.电感值L的计算综合上述关系，可推导出电感L的计算公式：L=(Vin_min_peak*Dmax)/(ΔIL*fsw)=(Vin_min_peak*Dmax)/(Kri*ILavg_max*fsw)将ILavg_max=Pin_max/Vin_min_peak（此时输入功率Pin_max=Po/η，且假设PF≈1）代入上式，并考虑Dmax=1-Vin_min_peak/Vo，可得：L=(Vin_min_peak²*(1-Vin_min_peak/Vo))/(Kri*Po*fsw/η)通过此式，即可根据选定的参数计算出所需的电感量。在实际应用中，计算得到的L值还需根据标准电感规格进行圆整，并进行实际验证。3.电感的饱和与磁芯选择计算出电感值后，还需选择合适的磁芯材料和尺寸，并确定绕组匝数。磁芯的选择需考虑磁芯损耗、饱和磁通密度等因素。关键是确保在ILpeak时，磁芯不会发生饱和。磁芯的有效截面积Ae和磁路长度le是计算匝数的关键参数。匝数N=(L*ILpeak)/(Bmax*Ae)，其中Bmax为所选磁芯材料的最大允许磁通密度（通常留有一定余量）。三、电流采样电阻Rs的计算UC3854采用峰值电流控制方式，需要对电感电流或开关管电流进行采样。采样电阻Rs串联在主功率回路中（通常在电感与地之间或开关管源极与地之间），将电流信号转换为电压信号送入芯片的Isense引脚。这里的ILpeak_max应考虑最大输入功率、最低输入电压以及一定的过流余量。同时，采样电阻的功率损耗也不容忽视，其额定功率应大于(ILrms)²*Rs，其中ILrms为电感电流的有效值。四、输出滤波电容Co的计算与选择PFC电路的输出电容Co主要用于滤除二倍工频的纹波电压，并为负载提供能量。其容量大小直接影响输出电压的纹波幅值和动态响应。输出电压纹波ΔVo主要由输出电容的充放电引起。在CCM模式下，输出电容的纹波电流较大，因此Co的选择不仅要考虑容量，还要关注其纹波电流额定值。输出电压纹波ΔVo（峰-峰值）的近似计算公式为：ΔVo≈(Pin_max*Dmax)/(Co*Vo*fsw)。不过，更常用的方法是根据能量平衡原理，考虑在输入电压过零点附近，输入功率瞬时值为零，此时负载功率完全由输出电容放电提供。由此可推导出：Co≥(Po*T)/(2*ΔVo_allow*Vo)其中T为电网周期（50Hz时T=20ms），ΔVo_allow为允许的最大输出电压纹波峰-峰值。此式计算出的是满足能量需求的最小电容值。实际选用时，还需考虑电容的ESR带来的附加纹波，并选择具有足够纹波电流耐受能力的电解电容，通常需多颗并联以满足纹波电流要求。五、UC3854的VCC供电电路元件计算UC3854的工作电源VCC通常需要一个稳定的直流电压（一般为15V）。其供电方式可以是独立的辅助电源，也可以通过PFC输出电压经电阻分压、稳压管稳压提供（需注意启动冲击）。若采用电阻Rstart从Vo分压供电，则Rstart的取值需考虑芯片的静态工作电流Icc。Rstart=(Vo-Vz)/Icc，其中Vz为稳压管的稳定电压（如15V）。为降低功耗，Rstart应尽可能大，但需保证在最小Vo时仍能提供足够的Icc。同时，需在VCC引脚与地之间并联一个滤波电容Cvcc（通常为10μF左右的电解电容与0.1μF的陶瓷电容并联），以滤除纹波和噪声。六、电压环补偿网络的设计UC3854内部集成了误差放大器，用于构成电压外环，以稳定输出电压并实现输入电流的正弦化。电压环的补偿网络设计对PFC电路的动态响应和稳定性至关重要。补偿网络通常采用TypeII或TypeIII补偿。设计时，需根据PFC系统的开环传递函数，合理选择补偿网络的电阻和电容参数，以确保系统具有足够的相位裕度和增益裕度。这一步计算较为复杂，通常需要借助波特图工具进行分析和优化，或参考芯片数据手册提供的推荐参数和设计实例进行初步设定，再通过实验调整。七、其他注意事项除上述主要元件外，UC3854外围还有一些关键元件需要确定，例如：*乘法器输入电阻：设置乘法器的输入电压范围和增益，确保输入电流与电压同相位。*除法器电阻：用于设置电流环的增益，与输出电压成反比，以实现平均电流控制的效果。*软启动电容：连接到SS引脚，控制输出电压的上升速率，防止启动时的过大冲击电流。这些元件的参数计算，需仔细查阅UC3854的数据手册，根据其内部电路结构和推荐公式进行。总结基于UC3854的PFC电路设计涉及多个环节的精确计算与合理选型。本