1引言

　　功率因數(shù)校正（PFC" title="PFC">PFC）技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)各種電源裝置電網(wǎng)側(cè)電流正弦化,，使電網(wǎng)資源得到充分利用，基本上消除負載對電網(wǎng),、負載對負載之間的高次諧波污染,，凈化電網(wǎng),。單相PFC已進入實用階段，實現(xiàn)方式多種多樣,，較為常見的有用UC3854為控制IC設(shè)計的3kW以下的PFC電路,，但該電路較為復(fù)雜，外圍元件多,，特別是小功率的應(yīng)用,，如150W，該電路就顯得復(fù)雜,，成本高,。本文介紹了用TOPSwitch設(shè)計的功率150W以下簡捷的PFC電路設(shè)計。

2TOPSwitch在PFC中應(yīng)用的設(shè)計原理

　　TOPSwitch為三端脈寬調(diào)制（PWM" title="PWM">PWM）開關(guān),，實現(xiàn)相同的功能,，TOPSwitch外圍元件最少。并且TOPSwitch具有開關(guān)電源所有必須的功能,，內(nèi)含功率MOSFET,，PWM控制器，內(nèi)起動電路,，環(huán)路補償和熱關(guān)斷電路,。所以它能使電源電路得以進一步簡化，縮短設(shè)計時間,，此為TOPSwitch設(shè)計的最大優(yōu)點,，并且TOPSwitch設(shè)計電源電路保證高的電源效率。

　　圖1為一個簡單的應(yīng)用TOPSwitch設(shè)計的升壓型PFC電路,，TOPSwitch工作頻率為100kHz,，遠高于電網(wǎng)頻率，通過電源濾波器在電網(wǎng)側(cè)可以實現(xiàn)正弦輸入電流波形,，并且與輸入電壓的波形同相,。這個電路在提升電感上產(chǎn)生的波形示意圖如圖2所示。虛線為經(jīng)過電源濾波器在電網(wǎng)側(cè)出現(xiàn)的電流波形,。該波形就是開關(guān)管工作在電流斷續(xù)狀態(tài)下產(chǎn)生的,。在提升電感,、TOPSwitch和提升二極管上的電流IL,、IT、ID如圖3所示,。在這個電路中IL=IT＋ID,，IL的電流波形即為IT和ID電流波形的簡單疊加，圖4為平滑后的理想波形,，圖5為實際測試的波形,。從圖中可以看出,，在固定周期的情況下，它的電流與正弦電流相差較大,，經(jīng)過補償后的輸入電流實際測試波形如圖6所示,。總諧波失真（THD）不超過18％,，功率因數(shù)（PF）為0.978,。

圖1應(yīng)用TOPSwitch設(shè)計的升壓型PFC電路

圖2流過提升電感的電流波形示意圖

圖3IL、IT,、ID波形

圖4理想波形

圖5實測波形

圖6經(jīng)補償后的實測電流波形

　　TOPSwitch各開關(guān)周期的平均值IT(avg)可用公式（1）和（2）計算出來,。公式中T為一個工作周期，IPK為TOPSwitch峰值電流,，Uin是各個開關(guān)周期整流后交流輸入電壓瞬時值,，fS是開關(guān)頻率，LP是自感系數(shù),。

IT=IPK(T/2)(1)

　　第N個開關(guān)周期二極管上電流平均值ID（avg）用公式（3）求出,，UO為直流輸出電壓，

　　這兩個平均電流之和為電感電流平均值IL（avg）,。交流輸入瞬時電壓,，要求一個平均電流值與其對應(yīng)。這個平均電流值將被作為100kHz開關(guān)電流波形的平均值來校正,，與其相應(yīng)的,，可采用隨輸入電壓瞬時值調(diào)占空比D的方式，即預(yù)補償" title="預(yù)補償">預(yù)補償,。工作周期T可用公式（5）進行計算,。

3預(yù)補償原理

　　對MOSFET用恒頻恒占空比控制方式的缺點，如圖7所示,，在一個開關(guān)周期內(nèi)IL平均值不隨整流后電壓瞬時值線性變化,，即：輸入電壓瞬時值上升后，平均值上升更快,。這樣經(jīng)過電源濾波后,，產(chǎn)生如圖4所示的非正弦波形，為了使電流波形進一步正弦化,，可以采用預(yù)補償?shù)姆绞?，即采用恒頻非恒占空比的控制方式。

　　產(chǎn)生這種結(jié)果的原因是：在TOPSwitch的整個工作過程中,，提升電感上的電流是TOPSwitch上電流和提升二極管電流的代數(shù)和（見公式IL=IT＋ID）,，TOPSwitch上的電流隨著整流后的輸入電壓呈線性關(guān)系，平滑后是正弦電流,?？墒翘嵘O管上的電流隨著輸入電壓的升高迅速上升,，呈非線性關(guān)系，平滑后不是正弦電流,。這樣疊加的結(jié)果使提升電感上的電流就不是正弦的,。因為提升二極管上的電流不受控，所以要想改善提升電感上電流波形,，就只能通過控制IC改善TOPSwitch的電流波形,，使TOPSwitch上的波形不是一個正弦波，來補償提升二極管不是正弦波的缺陷,。這個問題是很多無乘法器的控制IC在boost電路中普遍存在的問題,，這些都可以通過預(yù)補償?shù)姆绞降靡愿纳啤８纳频年P(guān)鍵就是選擇合適的預(yù)補償電阻,。

　　在輸入高電壓時減小IT的占空比,，這樣使得IL的波形就不再是像圖4所示。經(jīng)過補償?shù)碾娏鞑ㄐ稳鐖D6所示,，這樣IL的波形已經(jīng)近似于正弦波,，電路原理圖如圖8所示，通過預(yù)補償電阻R1和直接輸出電壓檢測電路控制流入TOPSwitch控制腳的電流,，使TOPSwitch的調(diào)制方式變成恒頻非恒占空比的方式,，達到較為理想的PFC。占空比隨瞬時輸入電壓變化呈線性關(guān)系,，TOPSwitch具有電流線性控制占空比變換器,，當流入TOPSwitch控制引腳的電流在2.0～6.0mA范圍內(nèi)增大時，TOPSwitch的占空比將從67％下降到1.7％,，所以通過預(yù)補償電阻來控制部分TOPSwitch控制引腳的電流來控制占空比,。預(yù)補償電阻的選擇是很重要的（后文對預(yù)補償電阻的選擇有論述）。當整流后的電壓最低時,，TOPSwitch的控制引腳通過預(yù)補償電阻R1泄放電流,，使流入控制引腳的電流減小，這時TOPSwitch的占空比最大,；隨著整流后的輸入電壓的增高,，流入TOPSwitch控制引腳的電流

圖7預(yù)補償前后TOPSwitch上的電流示意圖

圖8有預(yù)補償?shù)膽?yīng)用TOPSwitch的PFC電路原理圖

也將逐漸增加，TOPSwitch的占空比逐漸減小,，當輸入電壓達到最高時,，TOPSwitch的占空比最小，這就完成了恒頻非恒占空比的控制方式,。在示意圖圖7中可以看出,，預(yù)補償以后,，由于TOPSwitch上的電流減小了,，使得在提升電感上的電流三角形的面積小于預(yù)補償以前的,，電流的平均值也就減小了，平滑后的電流波形也就接近正弦波形了,，如圖9所示,。占空比隨著瞬時輸入電壓的變化而變化。這時THD<7％ ,， PF為 0.98,。 4 元 器 件 的 選 擇 與 參 數(shù) 計 算

　　（1）TOPSwitch的選擇表（見下表）

　?。?）預(yù)補償電阻R1的計算

　　可利用公式（6）進行計算預(yù)補償電阻R1（kΩ）

R1=APWM/SDV(6)

　　式中APWM是TOPSwitch占空比控制電流增益,，為百分之十幾/mA（一般典型值為16％/mA），SDV是測試的交流整流后的輸入電壓與占空比直線的斜率,，可定為SDV=－0.067％/V,，預(yù)補償電阻R1也可以通過曲線計算出來，直流輸出電壓曲線和預(yù)補償電阻的關(guān)系如圖10所示,。

　?。?）電感線圈的計算

圖9有預(yù)補償平滑后的電流波形

圖10預(yù)補償電阻與直流輸出電壓的關(guān)系曲線

　　電感值在設(shè)計中是至關(guān)重要的，可以通過查曲線的方式得到電感值,。電感值的曲線如圖11所示,。

圖11提升電感值與輸出功率、直流輸出電壓的關(guān)系曲線

5結(jié)論

　　150W以下的PFC在各項指標均接近的情況下,，用TOPSwitch實現(xiàn),，只用17個元件；用UC3852實現(xiàn)為23個元件,；用KA7524實現(xiàn)為27個元件,。而且TOPSwitch的電感不需要輔助繞組，電路簡單緊湊,。