基於UC3854非常完美的PFC設計教程

功率因素校正（PFC）

n傳統的AC-DC變換器和開關電源，其輸入電路普遍採用了全橋二極管整流，輸出端直接接到大電容濾波器。

n雖然不可控整流器電路簡單可靠，但它們產生高峯值電流，使輸入端電流波形發生畸變，使交流電網一側的功率因素下降到0.5~0.65，無功損耗過大。

因此我們必須引入功率因素較正

n功率因數的定義

功率因素校正PFC是十幾年電源技術進步的重大領域，它的基本原理是：

n兩種主要的功率因素校正的方法

1) 無源PFC技術

2) 有源PFC技術

n單管功率因素校正變換器的概念

只用一個主開關管，可使功率因數校正到0.8以上，並使輸出直流電壓可調，這種拓撲結構稱爲單管單級PFC變換器。

單管功率因素校正變換器的電路類型

nBuck

nBoost

nBoost-Buck

nZeta

nCuk

nSepic

基於Boost電路的PFC變換器及其控制方法

功率因素校正（PFC）

n基於Boost電路的PFC變換器的提出

nBoost用於PFC的優勢

1.Boost可工作在三種模態CCM,BCM,DCM

2.儲能電感又是濾波器，可抑制電磁干擾EMI和射頻干擾RFI 電流波形失真小

3.輸出功率大

4.共源極可簡化驅動電路等優點

功率因素校正（PFC）

基於Boost電路的PFC變換器及其控制方法——DCM

nDCM

n假定在穩態條件下，在一個開關週期內，MOS管的導通時間爲Ton，輸入電壓爲Ui，電感電流爲i，電感電流峯值爲imax，電感量爲L，電感電流達到峯值時，對應的輸入電壓爲。則在MOS管導通期間，有：

n如果輸入週期內各開關週期的佔空比近似不變時，電感電流的峯值與輸入電壓成正比。因此，輸入電流波形自然跟隨輸入電壓波形，電路不需要電流控制環即可實現PFC功能。

nDCM的關鍵

要想保證電路在一定電壓範圍內處於斷續模式，關鍵是電感量的設計，下面給出電感量設計的最終公式：

d1其中爲MOS管導通佔空比，d2爲續流二極管導通佔空比，L爲電感量，fs爲開關頻率，Po爲輸出功率，mmin爲Vo/Vin

n要保證電感電流斷續，必須滿足d1+d2<1

n隨着mmin=Vo/Vin的增加，d1+d2先減小後增大

n因此在輸入電壓較小與較大時均會使電感電流趨於連續通常在斷續模式下的電感量設計中按最低輸入電壓時確參數。

基於Boost電路的PFC變換器及其控制方法——BCM

nBCM

一般採用變頻控制，在固定功率開關管開啓時間的條件下，調整開關管的關斷時間，使電感始終處於臨界導電模式，可獲得單位功率因數，適用於中小功率場合。開關頻率不固定（變頻），功率管導通時間固定。

基於Boost電路的PFC變換器及其控制方法——CCM

概述

通常情況下，電感電流連續時的控制電路都需要有一個模擬乘法器和電流檢測環路，與輸出電壓的反饋信號一起調製功率開關管的控制信號，其中模擬乘法器的精度將影響PF值和輸入電流諧波含量THD。示意圖如下

nCCM狀態下控制方式

n1. 峯值電流控制

n2. 平均電流控制

n3.滯環控制

n4. 單週期控制

nCCM

電感電流連續時可以選擇多種控制方法，如：峯值電流控制、滯環電流控制、平均電流控制和單週期控制等，適用於大功率場合，開關頻率可以恆定（如平均電流控制等（定頻）），也可以變化（如滯環控制（變頻））。

基於Boost電路的PFC變換器及其控制方法-總結

DCM

輸入電流自動跟蹤輸入電壓，控制簡單，僅需一個電壓環，成本低，電感量小，主管ZCS，續流管無反向恢復問題,定頻工作，適合小功率用電設備。

BCM

輸入電流自動跟蹤輸入電壓，電感量小，一般採用變頻控制，在固定功率開關管開啓時間的條件下，調整開關管的關斷時間，使電感始終處於臨界導電模式，可獲得單位功率因數，但是濾波器設計困難，適用於中小功率場合。

CCM

常用的有電流峯值控制法、電流滯環控制法或平均電流控制法，可以定頻，也可以變頻，高功率因素，要用到乘法器，控制相對複雜，成本高。適用於大功率場合。

PFC控制方法——CCM-Peak Current Control

1.峯值電流控制

峯值電流控制的原理框圖如下:

•當電感電流達到電流基準以前，開關一直處於導通的狀態

•電流基準是由全波整流電壓的採樣值與電壓環誤差放大器的輸出乘積決定的，一旦當電感電流達到電流基準，經比較器輸出一關斷信號，使開關管截止

•以後由定頻時鐘再次開通開關，如此進行週期性變化

•電感電流的峯值包絡線跟蹤整流電壓Vdc的波形，使輸入電流與輸入電壓同相位，並接近正弦波

小結

峯值電流控制的優點是實現容易，缺點是當交流電網電壓從零變化到峯值時，其佔空比由最大值(通常爲95%)變化到最小值(峯值電網電壓附近)。在佔空比>50%時，電流環會產生次諧波振盪現象，這種現象常出現在恆頻PWM DC/DC變換器中，因此，這個電路中也會發生這種現象。爲了克服這一現象，必須在比較器的輸人端加一斜坡補償函數，但有時即使斜坡補償後仍然不太理想。

2. 平均電流控制

平均電流控制的原理框圖入下

n平均電流控制的優點q電流環有較高的增益帶寬

q跟蹤誤差小

q瞬態特性較好

qTHD(<5%)和EMI小

q對噪聲不敏感

q開關頻率固定適用於大功率應用場合，是目前PFC中應用最多的一種控制方式。

3.滯環電流控制

滯環電流控制的原理框圖如下

n電壓外環的作用是爲滯環控制單元提供瞬時電流參考信號，作爲滯環邏輯控制器的輸入

n所檢測的輸入電壓經分壓後，產生兩個基準電流：上限值與下限值

n當電感電流達基準下限值時，開關管導通，電感電流上升，當電感電流達基準上限值時，開關管關斷，電感電流下降

n電流滯環寬度決定了電流紋波大小.開關頻率由環寬決定（變頻）

n優點

q電流環帶寬高

q具有很強且具有很強的魯棒性和快速動態響應能力

q電流跟蹤誤差小

q硬件實現容易。

n缺點

q負載大小對開關頻率影響較大

q不利於設計輸出濾波器的優化設計目前，關於滯環電流控制的改進方案研究還很活躍，目的在於實現恆頻控制（通過實時的改變環寬），將其他控制方法與滯環電流控制相結合是發展方向之一

4.單週期控制

n單週期控制是一種新型的非線性控制策略，首先用於BUCK變換器

n在輸入或輸出跳變時，單週期控制可以在一個開關週期實現控制目標，較大提高系統的動態性能進而擴展到各種應用場合，如功率因數校正、有源濾波、整流器等

4.單週期控制

n單週期控制是一種新型的非線性控制策略，首先用於BUCK變換器

單週期控制是一種不需要乘法器的控制方法，取而代之的是一個復位積分器，如上圖所示。其中時間常數RC等於RS觸發器的Clock時鐘週期，因此有如下關係：

d爲積分時間佔空比。

功率因素校正的目的是使輸入電流跟蹤輸入電壓，變化器等效電阻爲線性，有：

n若輸出濾波電容夠大，輸出電壓Uo可視爲恆定值，在一個開關週期內可看出Um也可視爲定值

n因此由(4)可以看出，Boost輸入電流與輸入電壓成比例，從而達到電流跟蹤電壓的目的

n一個開關週期內，Boost變換器輸出電壓與輸入電壓關係爲：

n如果U1＝Um，U2＝Um-RsiL

n即可用控制電路實現控制目標！

n單週期控制電路如下圖所示

n復位積分器如右圖所示

n優點

q單週控制能優化系統響應

q減小畸變和抑制電源干擾

q反應快

q開關頻率恆定

q魯棒性強

q易於實現

q抗電源干擾控制電路簡單

PFC控制方法——CCM-總結

nCCM 模式下控制策略總結

（1）峯值電流控制：優點是實現容易，缺點是當交流電網電壓從零變化到峯值時，佔空比變化太大。在佔空比>50%時，電流環會產生次諧波振盪現象。

（2）平均電流控制：優點是電流環有較高的增益帶寬、跟蹤誤差小、瞬態特性較好、THD(<5%)和EMI小、對噪聲不敏感、開關頻率固定、適用於大功率應用場合，其缺點是參考電流與實際電流的誤差隨着佔空比的變化而變化，從而可能會產生低次電流諧波。

（3）滯環電流控制：優點是電流環帶寬高，具有很強且具有很強的魯棒性和快速動態響應能力，電流跟蹤誤差小，硬件實現容易。其缺點負載大小對開關頻率影響較大，不利於設計輸出濾波器的優化設計。

（4）單週控制：能優化系統響應、減小畸變和抑制電源干擾，有反應快、開關頻率恆定、魯棒性強、易於實現、抗電源干擾、控制電路簡單等優點。

諧波污染的治理主要途徑：

n無源電力濾波器（PPF）

n有源電力濾波器（APF）

n有源功率因數校正器（APFC）基於boost的PFC

DCM

BCM

CCM

平均電流控制

峯值電流控制

滯環控制

單週期控制

PFC典型芯片UC3854介紹

n概述

n各引腳功能

n構成

n內部結構

n性能

n設計特點

n極限工作條件

n功率級應用範圍

PFC典型芯片UC3854介紹-概述

n1994年底UC公司推出了UC3854。

n隨着Unitrode，Motorola，Silicon，Siemens等公司相繼推出了各種有源功率因數校正芯片，如UC3852、UC3854,3854AB、UC3855、MC34261、ML4812、ML4821、TDA4814等 ,單相有源功率因數校正技術發展很快。

nUC3854爲電源提供有源功率因素校正，它能按正弦的電網電壓來牽制非正弦的電流變化，該器件能最佳的利用供電電流使電網電流失真減到最小，執行所有PFC的功能

PFC典型芯片UC3854介紹-各引腳功能

UC3854各引腳功能

n引腳1(Gnd)：所有的電壓測量都以Gnd腳的地電平爲參考基準.

n引腳2(PKLMT):峯值電流限制腳.

n引腳3(CAOut):電流誤差放大器輸出腳.

n引腳4(Isense):電流誤差放大器反向輸入端

n引腳5(MultOut):乘法器輸出端和電流誤差放大器正向輸入端.

n引腳6(Iac):交流電流輸入端.

n引腳7(VAOut):電壓放大器輸出.引腳8(Vrms):電網電壓有效值端.

n引腳9(Vref):電壓基準輸出端.

n引腳10(ENA):使能控制端.

n引腳11(Vsense):電壓放大器的反向輸入端.

n引腳12(Rset):振盪器充電電流和乘法器電流限制設置端

n引腳13(SS):軟啓動端.

n引腳14(Ct):振盪器電容器設置端.

n引腳15(Vcc):正極性電源電壓.

n引腳16(GTDrv):柵極驅動.

PFC典型芯片UC3854介紹-構成

PFC典型芯片UC3854介紹-構成

n電壓誤差放大器

n電網預置器（前饋電壓）

n模擬乘法器

n電流誤差放大器

n三角波振盪器

nPWM比較器

nRS觸發器

n與MOSFET兼容的柵極驅動器

n7.5V參考電壓

n欠壓比較器

n過流比較器軟啓動邏輯

PFC典型芯片UC3854介紹-內部結構

PFC典型芯片UC3854介紹-性能

nUC3854的主要性能爲：

n適用於Boost型電路

n適用於CCM工作模式

n平均電流控制

n開關頻率恆定，最高爲200kHz

n最大佔空比爲95%，

n單信號輸出

n輸出驅動電壓14.5V，輸出驅動電流1A

n軟起動

n輸入電源欠壓保護

n輸出過載保護功能

UC3854的設計特點

1）控制功率因素達到0.99

2）限制電網電流失真<5%

3）適用於全球電網電壓（80~270AC)

4）前饋電網電壓調節、低噪聲、高靈敏度

5）平均電流模式控制

6）低啓動電源電流，精密電壓基準

7）固定頻率脈寬調製(PWM)

8）低失調模擬乘法器

9) 1A柵極驅動器

PFC典型芯片UC3854介紹-工作條件

nUC3854的極限工作條件

PFC典型芯片UC3854介紹-功率級的應用範圍

n升壓型PFC功率因素校正器的控制電路，幾乎不隨變換器的功率大小而變。

一般500W的PFC與一個50W的PFC控制電路基本相同，不同之處僅在功率電路，但控制電路設計步驟基本相同。

基於Boost電路的PFC變換器設計實例

1.設計指標

n輸入電壓：80VAC~270VAC

n輸入頻率：45Hz~65Hz

n輸出直流電壓：400VDC

n輸出功率：250W

n功率因數：＞98%

n輸入電流THD: <5%

2.開關頻率

通常開關頻率可以任意選擇，但必須夠高，使功率電路小型化、減少失真並保持高的變換效率。在多數應用中，20~300kHz的開關頻率範圍是可接受的折中方案。作爲體積和效率的折中，本例採用100kHz的開關頻率。此外，電感值要合理的取小一些，使畸變尖峯保持在最小範圍內，電感的體積也儘可能的小，由二極管引起的損耗不能過大。

3.電感的選擇

電感值決定了，輸入端高頻紋波電流總量，可按給出的紋波電流值△I來選擇電感值。

電感值的確定從輸入正弦電流的峯值開始，而最大的峯值電流出現在最小電網電壓的峯值處：

由上式可知，在此範例中，功率爲250W,最小電網電壓爲80V，此時最大峯值電流爲4.42A.

3.電感的選擇

電感中的峯-峯值紋波電流，通常選擇在最大峯值電流的20%左右，在此例中,最大峯值電流爲4.42A,故峯-峯值紋波電流取△I =900mA.

Vin=1.414×80=113.12V, fs=100kHz

根據此處電壓和和開關頻率的佔空比來選擇：

由上式可得L=0.89mH,取整爲1mH.

4.輸出電容

涉及輸出電容的選擇因素有開關頻率紋波電流、2次紋波電流、直流輸出電壓、輸出紋波電壓和維持時間。流過輸出電容的總電流，是開關頻率的紋波電流的有效值和線路電流的2次諧波，通常選擇大電解電容作爲輸出電容，其等效串聯電阻（ESR）隨頻率的變化而變化（低頻時一般很大）。通常電容所能控制的電流總量還取決於溫升。溫升的確切值一般不用計算出，只要計算出由於高頻紋波電流和低頻紋波電流所引起的溫升之和就夠了。電容的datasheet會提供必要的ESR和溫升值。

4.輸出電容

在此例中，電容的選擇還是主要考慮維持時間。維持時間是在電源關閉以後，輸出電壓仍然能保持在規定範圍內的時間長度，其典型值爲15~50ms.在250W、DC400輸出的離線電源中，其維持時間對電容值的要求每瓦輸出爲1~2uF（經驗值）.另可根據以下公式確定（能量守恆）：

式中，Pout=250W, △t=64ms,Vo（min）=300V,可計算得Co=457uF,這裏我們選用450V 450uF的電解電容。

5.開關管和二極管

開關管和二極管必須能充分確保電路可靠的工作。一般來說，開關管的額定電流必須至少要大於電感電流的峯值，額定電壓至少大於輸出電壓，對二極管的要求也是一樣的。二極管必須速率很快，以減少開關損耗（電感電流連續,存在反向恢復問題）。

此例中，二極管必須是快速高壓型的，反向恢復時間爲35ns,600V 的擊穿電壓，8A的正向額定電流。功率MOSFET爲500V擊穿電壓，23A的額定直流電流。此例的開關損耗主要是由二極管的反向恢復電流引起的。

二極管關斷和開關管開通時的電流電壓實驗波形

6.電感電流檢測

兩種常用的檢測電流的方法

（1）在變換器到地之間使用一檢測電阻.

（2）使用電流互感器.

6.電流傳感檢測

在此例中，運用電流檢測電阻來檢測電流（如上圖頁圖所示），此電阻值產生的信號夠大以不受噪聲干擾，同時小到以不至於產生過大的能量損失。壓降爲1V左右的檢測電阻是一個不錯的選擇，這裏選擇0.25歐姆的電阻做爲Rs，在最壞情況下，5.6A的峯值電流將會產生最大1.4V的壓降.

7 .峯值電流限制

UC3854的峯值限制功能，在電感電流的瞬時值電流超過最大值，即2管腳低於地電平時被激活，將開關斷開。電流限制值有基準電壓除以電流檢測電阻的分壓來設置：

8 .前饋電壓信號

VFF是輸入到平方器電路的電壓，UC3854平方器電路通常在1.4~4.5V的範圍內工作。UC3854內有一個鉗位電路，即使輸入超過該值，都將前饋電壓VFF的有效值限制在4.5V。前饋輸入電壓分壓器有3個電阻RFF1、RFF2、RFF3，及兩個電容CFF1、CFF2。因此它能進行兩級濾波並提供分壓輸出。分壓器和電容形成一個二階低通濾波器，所以其直流輸出是和正弦半波的平均值成正比的。平均值是正弦半波有效值的90%，如過交流電網的有效值是270V，其平均值是243V,而峯值是382V.

前饋電壓VFF分壓器有兩個直流條件需要滿足。在高輸入電網電壓下，前饋電壓應不高於4.5V，當達到或超過此值時，前饋電壓被鉗制而失去前饋功能。在低輸入電網電壓時，應設置分壓器使前饋電壓等於1.414V，如果VFF不到1.414V，內部限流器將使乘法器輸出保持恆定。

在本例中，分壓電阻RFF1是910kΩ，RFF2是91kΩ，RFF3是20kΩ。當輸入電壓是AC270V 時，直流平均值是243V，此時VFF的最大值將是4.76V，當輸入電壓是AC80時，直流平均值爲72V，此時VFF是1.41V.

9.乘法器的設置

乘法器、除法器是功率因素校正器的核心。乘法器的輸出調節電流環用以控制輸入電流功率因素提高。因此此乘法器的輸出是個表達輸入電流的信號。

與多數從輸出開始到輸入的設計任務不同，乘法器電路的設計必須從輸入端開始。乘法器有三個輸入端：調節電流端IAC（腳6）、來自輸入的前饋電壓端VFF（腳8）、電壓誤差放大的輸出端VVEA（腳7）。乘法器的輸出是電流信號Imo（腳5）：

式中，Km=1是個常數,IAC是整流後的輸入電流，VVEA是電壓誤差放大器輸出，VFF是前饋電壓。

10.乘法器輸入電流

乘法器的輸入電流來自經RVAC的輸入電壓，乘法器在較高電流下有較好的線性度，但推薦的最大電流是0.6mA。在高網電壓時，峯值電壓是382V,腳6上的電壓是6V，RVAC用 620KΩ的電阻值得到最大的值是0.6mA.因爲引腳6上的電壓是6.0V,爲使電路正常工作，在輸入波形VIN=0處，需要一個偏置電流。在基準電壓VREF和腳6之間接1個電阻Rb1，IAC就能提供最小偏置電流，Rb1=RVAC/4,Rb1其值取150KΩ。