0 引言
單級(jí)PFC的基本拓?fù)浼捌涔ぷ髟碓凇峨娫醇夹g(shù)應(yīng)用》等學(xué)術(shù)期刊中，已有許多文章對(duì)其進(jìn)行了介紹,。盡管單級(jí)PFC電路儀需一個(gè)功率升關(guān)，電路拓?fù)浜?jiǎn)單,，效率較高,，但單級(jí)PFC的實(shí)用電路卻非常少見(jiàn)。眾所周知,，用于兩級(jí)PFC電路的控制器lC品種和型號(hào)非常多,，相關(guān)設(shè)計(jì)技術(shù)早已十分成熟，而單極PFC專(zhuān)用控制器芯片,，長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有問(wèn)世,。迄今為止，單級(jí)PFC控制IC僅有兩款：一個(gè)是數(shù)字單級(jí)PFC控制器iW2202,，另一個(gè)則是安森美半導(dǎo)體公司推出的NCPl651,。NCPl65l是一種適用于反激式" title="反激式">反激式拓?fù)涞膯渭?jí)PFC控制器?；贜CPl65l的反激式隔離變換器,，可提供中、高DC輸出電壓和50～250W的輸出功率,，滿(mǎn)足IEC1000-3-2諧波電流限制要求,，并能將初級(jí)側(cè)電壓限制在700V之內(nèi),。
1 NCPl65l的結(jié)構(gòu)與主要特點(diǎn)
NCP1651采用16引腳SOIC封裝，其中引腳14和15未連接,。NCP1651的芯片電路組成與NCPl650的內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在很多相同之處，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,。
NCP165I的各個(gè)引腳功能見(jiàn)表1,。
NCPl65l是一種固定頻率平均電流模式PWM單級(jí)PFC控制器，被用作驅(qū)動(dòng)工作在連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)或不連續(xù)導(dǎo)電模式(DCM)的反激變換器拓?fù)?，并編程平均輸入電流跟隨AC線(xiàn)路電壓,。利用平均電流模式控制CCM算法，可以限制峰值初級(jí)電流,，提供接近于1的功率因數(shù),。固定頻率操作，能使輸入濾波器電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化,。NCPl65l內(nèi)置高精度專(zhuān)利乘法器,，與傳統(tǒng)模擬乘法器比較，具有更優(yōu)異的性能,。NCPl65l提供逐周峰值和平均電流限制,、Vcc欠電壓鎖定和過(guò)溫度(門(mén)限為160℃，帶30℃滯回)關(guān)閉等保護(hù)功能,。NCP1651內(nèi)置高壓?jiǎn)?dòng)電路,，可直接連接到橋式整流器輸出端工作。在IC開(kāi)始工作后,，高壓?jiǎn)?dòng)電路截止,。
NCPl651的推出，標(biāo)忐著單級(jí)PFC技術(shù)開(kāi)始在中,、低功率電平上進(jìn)入了實(shí)用化階段,。
2 基于NCPl65l的90W單級(jí)PFC變換器" title="PFC變換器">PFC變換器原理與設(shè)計(jì)
2.1 基于NCPl65I的90W通用輸入單級(jí)PFC變換器電路及其工作原理
由NCPl651組成的90W通用輸入單級(jí)PFC反激式變換器電路如圖2所示。該變換器的AC輸入線(xiàn)路電壓范圍為85～265V．DC輸出電壓為48V,，工作在CCM方式,。
在系統(tǒng)加電之后，橋式整流器(D1～D4)輸出經(jīng)D7對(duì)電容C16充電,。當(dāng)C16上的電壓達(dá)到17V的門(mén)限電平時(shí),，IC1(NCPl651)腳16導(dǎo)通，內(nèi)部高壓?jiǎn)?dòng)電路中的電流源從腳13流出,，對(duì)連接在變壓器T1偏置繞組(⑦與⑤之間)上的電容C21充電,。當(dāng)C21上的電壓超過(guò)10.8V的導(dǎo)通門(mén)限電壓時(shí)，IC1啟動(dòng),，變換器開(kāi)始工作,，IC1引腳Vcc上的所需電流,，由T1偏置繞組、D9,、C21和齊納二極管D15組成的輔助電源供給,。在TC1開(kāi)始工作后，內(nèi)部高壓?jiǎn)?dòng)電路則截止,。IC1的振蕩器頻率由腳3上的電容C3值確定,。在C3=470 pF的條件下，開(kāi)關(guān)頻率為100 kHz,。
S1源極電阻R5用作感測(cè)初級(jí)電流,。在S1漏極上連接的阻尼電路中，D13和D14為瞬態(tài)電壓抑制(TVS)二極管,。前者擊穿電壓為214V,，后者擊穿電壓為68V。IC1腳8上連接的晶體管Q1等組成外部關(guān)閉電路,。次級(jí)側(cè)的IC3(MC3303)為四運(yùn)算放大器芯片,。其中，lC3B作為誤差放大器使用,，lC3D被配置成差分放大器,，IC3A和IC3C分別配置為輸出欠電壓和過(guò)電壓比較器。IC2(TL431)為lC3B的同相端(腳5)和IC3A的反相輸入端(腳2)提供2.5V的參考電壓,。輸出電壓(U0)經(jīng)R33,、R23和R24、R25組成的分壓器分壓,，將誤差放大器IC3B反相輸入端(腳6)上的電壓設(shè)置在2.5V,。
電壓調(diào)節(jié)環(huán)路的工作過(guò)程是：當(dāng)輸出電壓低于其額定值(48V)時(shí)，在IC3B腳6上的電壓將低于腳5上2.5V的參考電壓,，致使TC3B輸出電壓增加,，光耦合器LED電流減小，從而引起光耦合器晶體管電流減小,，IC1腳8上的電壓升高,。而IC1腳8上電壓的提高，使內(nèi)部參考乘法器輸出增加,，NCPl65l的PWM占空比增加,。
欠電壓比較器IC3A為光耦合器IC4提供驅(qū)動(dòng)。在出現(xiàn)欠電壓情況時(shí),，IC3A輸出變低,，IC4中LED電流減小，使NCPl651進(jìn)入高占空比狀態(tài),，迫使輸出電壓升至欠電壓限制電平以上,。
過(guò)電壓比較器IC3C的輸出與IC3B的輸出進(jìn)行“或”運(yùn)算,。在過(guò)電壓情況下，IC3C輸出變?yōu)镺V,，使IC4中LED電流達(dá)到最大值,，占空比減小到零，直到輸出電壓降至過(guò)電壓限制電平以下,。
IC3D被配置成差分放大器,，用于感測(cè)DC輸出電流，提供一個(gè)經(jīng)二極管進(jìn)行“或”運(yùn)算的信號(hào)進(jìn)入反饋分壓器,。過(guò)載電流限制被設(shè)置在滿(mǎn)載的125％，即(P0/U0)1.25=(90/48)×1.25=2.34A,。電阻R31和R32用作感測(cè)輸出電流,，R29、R30用作設(shè)置電流感測(cè)放大器增益,。放大器增益為：
G=(R29/R30)+1=(3kΩ/0.3kΩ)+1=11
放大器輸入電壓為：2.34A×(R31+R32)=2.34×0.14Ω=0.33V,。差分放大器輸出電壓為：0.33V×G=0.33V×11=3.63V。
當(dāng)輸出負(fù)載電流增加時(shí),，電流感測(cè)放大器輸出也相應(yīng)增加,。當(dāng)放大器輸出電壓與_二極管D12的電壓降之差值高于2.5V時(shí)，誤差放大器IC3B反相輸入端上的電壓被拉高,，IC3B輸出電壓降低,，IC4中LED電流增大，lC4中晶體管電流相應(yīng)增加,，NCPl65l腳8上的電壓降低,，占空比減小，從而實(shí)現(xiàn)限流過(guò)載保護(hù),。
2.2 主要元件的選擇
在功率元器件選擇時(shí),，需要考慮初級(jí)側(cè)電流。當(dāng)變換器在CCM工作時(shí),，電流波形如圖3所示,。
在MOSFET(S1)導(dǎo)通期間，電流在初級(jí)側(cè)流動(dòng),。在MOSFET關(guān)斷期間,，電流在次級(jí)側(cè)流動(dòng)。
2.2.2 變壓器的選擇
變壓器T1是反激變換器中的關(guān)鍵元件,。變壓器初級(jí)與次級(jí)繞組之間的匝數(shù)比n=Np/Ns,，直接影響初級(jí)側(cè)的電壓值。為了減小漏感產(chǎn)生的尖峰脈沖電壓,，應(yīng)盡可能降低變壓器漏感,。
為了減小輸出反射到初級(jí)的電壓,，選擇匝數(shù)比n=4，初級(jí)Np=76匝,，次級(jí)Ns=19匝,。
為了減小漏感．選擇TDK SRW42EC-U04H1/4寬窗口磁心，以減少繞組層數(shù),。同時(shí),，為了增強(qiáng)耦合，初級(jí)與次級(jí)繞組交錯(cuò)是有利的,。具體繞制方法是：先繞初級(jí)的45匝(一層),，接著繞次級(jí)19匝，然后再繞初級(jí)剩下的3l匝,。按該法繞制,，漏感僅為9μH。初級(jí)繞組的電感值Lp=1 mH,。
如果把76匝初級(jí)繞組分兩層繞完后再繞次級(jí)繞組19匝,，漏感值將增加到37μH。
2.2.3 功率MOSFET(S1)的選擇
MOSFET的選擇,，首先應(yīng)確定其額定值電壓(VDS),。在MOSFET關(guān)斷期間，漏極與源極之間的峰值電壓為：
式中：Uin(max)=265V,；
Uf為次級(jí)整流二極管(D5)的導(dǎo)通壓降,，Uf=0．7V；
Uspke為漏感產(chǎn)牛的尖峰脈沖電壓,，選擇
Uspike=130V,，有足夠的安全余量。
將已知數(shù)據(jù)代入式(4)得：
S1可選擇SPAlIN80C3型N溝道MOSFET,，其額定電壓UDS=800V,，額定電流ID=11A，導(dǎo)通態(tài)電阻RDS(on)=4．5Ω,。
2.2.4 輸出電容器的選擇
輸出電容Co值由式(5)確定：
式中：TH為所需保持時(shí)間,，即AC線(xiàn)路的周期時(shí)間，TH=1／50Hz=O．02s,；
Uo(min)為最小輸出電壓,，選擇Uo(min)=33V。
將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(5)得：
Co用兩個(gè)1500μF/63V的電容并聯(lián)而成,，即在圖2中,，C22=C23=1500μF。
2．2．5 電流感測(cè)電阻R5的選擇
電流感測(cè)電阻R5的計(jì)算公式是：
電路中其它元件，可根據(jù)NCPl65l的芯片電路組成和電氣參數(shù)確定其數(shù)值,。
3 結(jié)語(yǔ)
基于單級(jí)PFC控制器NCPl651的90W通用輸入反激式變換器,，儀需用一個(gè)功率開(kāi)關(guān)和較少量的元件，就能獲得高輸入功率因數(shù)和低輸入電流THD,。在115V的AC輸入電壓和滿(mǎn)載下,，變換器PF=O．998，THD=3．12％,；在230V的AC輸入和滿(mǎn)載下,，PF=O．97l，THD=6．8%,。從85V到230V的AC輸入和從無(wú)載到滿(mǎn)載變化時(shí),，輸出電壓調(diào)節(jié)率小于O．02％，輸出電壓紋波僅為2VP-P,。NCPl651為設(shè)計(jì)分布式電源獲得單級(jí)PFC和步降變換,，提供了行之有效的創(chuàng)新方案。