高功率因数开关电源的分析与设计

2014-08-29刘萍石欢欢黄圣妍刁婉玉

现代电子技术 2014年15期

刘萍+石欢欢+黄圣妍+刁婉玉

摘要：功率因数校正是开关电源设计中的一个重要问题，PFC以其外围电路简单，功率因数高而得到广泛使用，但PFC外围参数的设计是一个难点。针对此问题，提出一种确定外围参数的方法。通过理论分析控制器件内部结构、建立数学模型、Matlab仿真分析，从而在理论上完全掌握控制器件外围参数对系统控制性能的影响，避免在调试过程中出现太多的盲点。将此方法确定的参数应用于实际电路，只需经过简单调试，就可设计一款性能较好的高功率因数开关电源。

关键词：功率因数； UCC28019；参数计算；调试

中图分类号： TN701?34； TM761 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）15?0145?03

Analysis and design of switch power with high?power factor

LIU Ping， SHI Huang?huang， HUANG Sheng?yan， DIAO Wan?yu

（Tan Kah Kee College， Xiamen University， Zhangzhou 363105， China）

Abstract： Power factor correction （PFC） is an important issue in switching power supply design. PFC is widely used due to its simple peripheral circuits and high?power factor， but design of the PFC external parameters is difficult. To solve this problem， a method to determine the external parameters is proposed. The internal structure of the control device is analyzed theoretically， mathematical model is established and Matlab simulation analysis is performed， so as to fully grasp the influence of external parameters on the control performance of the system， and avoid too many blind spots in the debugging process. If the parameters determined with this method is apply to the actual circuit， a high?power factor switch power supply with high performance can be designed by means of a simple debugging.

Keywords： power factor； UCC28019； parameter calculation； debugging

节约能源是当今社会的主流，一款好的电源产品应在几乎无浪费的情况下完成能源的转换，而功率因数是衡量能源转换高低的一个重要指标，功率因数越高，能源浪费越少。目前通过查找功率因数校正的开关电源的资料学习，普遍上手不快，主要是对电路的外围元件参数的设置不解。针对此问题，本文详细介绍一款高功率因数开关电源，重在分析参数对电源系统的影响。设计的电源具体指标要求为：输入交流电压[Uin]在20～30 V变化时，输出直流电压[Uout=]36 V±0.1 V，输出电流[Iout=]2 A；电源输入侧功率因数在0.8～1可测、可调整。

1 控制系统分析与设计

该电源设计分为三部分：功率因数测量、升压电路、功率因数校正，设计难点在于功率因数的校正。功率因数校正（PFC）可选控制芯片很多，本文选择一款在连续工作模式下，以固定频率65 kHz工作的控制芯片UCC28019。该芯片外围电路简单，与升压电路结合，可实现20～30 V交流输入到36 V稳压，无需降压电路，核心关键的问题在于外围电路的参数的确定。UCC28019芯片资料提供相应公式用于计算电阻、电容等参数，但将计算所得参数应用实际电路中，会发现得不到理想的系统输出，盲目修改参数进行调试有时虽花费大量的时间但不成功，本文将结合芯片内部结构进行深入分析关键参数对系统的影响，从而提高硬件电路的调试效率。

1.1 功率因数测量

功率因数PF是指交流输入有功功率[P]与视在功率S的比值[1]。

[PF=PS=PURMSIRMS=1Ni=1NUiIi1Ni=1NUi21Ni=1NIi2]

式中：[URMS，][IRMS]为电压、电流的有效值。利用微型精密电压互感器、电流传感器采集电源输入侧的电压、电流，为方便单片机采集数据（只读取正向数值），在各互感器后连接整流桥。具体电路如图1，图2所示。

图1 电压采样

图2 电流采样

1.2 升压型功率因数校正

设计电路，首先需计算电源指标[1]：

根据电源设计要求，可得输入电流最大有效值为3.83 A；输入电流有效值峰值为5.41 A；输入电流最大值平均值为3.45 A，输入电感电流最大峰值为5.95 A，由此计算相关参数。图3为升压型功率因数校正电路图。

图3 升压型PFC电路

1.2.1 部分参数的选取

图3电路设计的难点在于UCC28019电压回路参数的确定，其余参数结合经验及技术文档资料可得，这里就不再详述其参数的设计过程。使用多个并联低压降的二极管BYQ28E构成整流桥；并接一个低ESR的155 CBB电容滤除整流输出电压的高频成分；升压电感选用环形铁硅铝粉芯，其电感量取128 μH；输出滤波电容[Cout]取2个4 700 μF电容并联；取样电阻[R2]取0.1[Ω]的康铜丝；滤波电容[C9]取0.47 μF；电压[VIN]输入端电阻[R9]取10 kΩ，[R6]取170 kΩ；电压输入端电容[C8]取10 μF。

1.2.2 电压回路分析及参数计算

查阅UCC28019内部结构[2]，得电压回路方框图，如图4所示。

图4 电压回路方框图

传函[G2]为系统固有部分，[G3]为升压电路部分，[G1]由图5求得，[G4]由图6求得，两者均与UCC28019的外围参数有关。

图5 gmv控制器图6 反馈装置

由图5、图6求取传函：

[G4=VsenseVout=R4（R3+R4）=50 000（50 000+310 000）=536]

[G1=VcompVsense=（VcompVOTA1）（IOTA1IOTA1）=（1+sR7C7）（C6+C7）s（1+sR7C6C7（C6+C7））gmv]

式中：gmv为常数，值为[42×10-6 μs]，令：

[w1=1（R7C7）， w2=（C6+C7）（R7C6C7）]

得：

[G1=（1+sw1）（C6+C7）s（1+sw2）]

[G1]环节相当于超前?滞后校正控制器，[G1]中[C7]变化影响系统的开环零、极点及开环增益；[C6]变化影响系统的开环增益，开环极点；[R7]变化影响系统的开环零点、极点。各参数变化均会影响系统性能。查文档得：

[G2G3=（M3VoutM1M2）（sw3+1）=49.5（s10.7+1）][w3=KFQM1M2V3inrmsK1R2V3outCout，M3=0.512，M1=0.484，M1M2=0.372，K1=7]

综合得：[G2G3G4=6.88（0.093s+1）。]

利用Matlab线性时不变工具LTIVIEW对[G2G3G4]仿真，波特图如图7所示。

图7 [G2G3G4]波特图

对PFC电路而言，系统传函的带宽要小于20 Hz（128.6 rad/s）[2]，结合图7仿真曲线，将系统的截止频率设置在[Wc=]100 rad/s，既满足带宽要求，又能有较佳的动态性能，此时[G1]在截止频率处需提供2.72 dB的增益进行补偿；为提高系统的相角裕度用[G1]中[w1]处的零点补偿开环传函[w3]处的极点；为提高系统的抗干扰能力，可将[G1]中的[w2]设置为高频段，取值为[2×π×50]Hz。

令[20lgG1（j100）=2.72，]得[C7=3 ]μF。

令[w1=1（R7C7）=10.7，C7=3 ]μF，得[R7=31 ]kΩ，取[R7=][30 ]kΩ，令[w2=（C6+C7）（R7C6C7）=2×π×50，]得[C6=0.1 ]μF。

综合得[G1=42×（1+s10.7）（3.1s（1+s314））。]

再次利用Matlab对系统开环传[G1G2G3G4]进行仿真，波特图如图8所示。截止频率在90 rad/s，与预期目标相比，截止频率略微前移，可对校正过程做些微调，但分析校正后系统性能，已达到较佳性能，可以不用重新设计。

图8 [G1G2G2G4]波特图

1.2.3 电流回路分析及参数选定

查阅UCC28019内部结构[2]，绘制其电流回路方框图，如图9所示。

图9 电流回路方框图

电流回路可实现电流跟踪电压，从而完成电压、电流同向，即实现高功率因数校正。

该回路电容参数代入公式计算，取[C5=]1 nF。

1.2.4 功率因数调整方法

由图8分析，[R7]变化影响[Vcomp]的幅值、相位，由图9分析，电流[Iin]跟踪[Vcomp。]而输入电压相位不受UCC28019控制，因此，调整[R7]的大小可以改变输入电压、电流的相位差，即调整功率因数。在电路设计中，为方便调整功率因数，将[R7]设置为滑阻。

1.2.5 优化设计，提高效率

为保证电源效率高，升压电路中的二极管、开关管尽可能用功耗小、恢复快的，如二极管BYQ28E，开关管IRF3710；反馈电阻尽可能用大的，可降低损耗；多个低压降二极管并联构成整流电路；减小开关管栅极串联电阻，串接小电阻，防止振荡；在栅极和源极并接大阻值电阻，减小开关管断开时的静态电流等。

2 实验

设计一款基于UCC28019的高功率因数开关电源，主体电路如图1～图3所示。各元件参数采用上节的设计结果，搭建硬件电路，并制版，检测时在输入侧串接电参数测量仪测量系统功率因数、效率，输入端接至调压器输出端。当调压器输出24 V，输出电流在0.2～2.0 A变化时，负载输出实时用万用表检测，其值在35.9～36.1 V之间；电参数测量仪功率因数显示0.98以上，效率0.95；调整[R7]滑阻大小，功率因数可降至0.8；单片机测量能同步准确显示，整体满足设计要求。

3 结论

利用UCC2809进行高功率因数开关电源的设计，可简化设计过程，但能否获得良好的性能，很大程度上取决于参数的选取，而参数的确定不能只由技术文档确定，而应结合深入理论分析的结果对参数进行适当调整。实验结果表明，采用有效的分析方法，对硬件电路的调试有事倍功半的效果。

参考文献

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