详解单级pfc反激式电路.docx

详解单级PFC反激电路近段时间一直忙看弄毕业论文，上论坛比较少了，前两天论文提交送审，打算发一个帖子，详细介绍一下 单级PFC反激式电路结构单级PFC的反激式结构相信做LED电源的都不会很陌生，但估计大多数工程师做的工作限于按照IC 厂商的datasheet设计产品，其中详细的原理很少有人细究考虑到工程应用中，复杂的公式实用价值不 高，本贴将着重于定性地分析电路的工作原理,同时配合手头上能够提供的仿真和实例分析本帖首先介绍常用单级PFC反激式结构的几种工作模式，重点介绍一下适合用于做大功率（100W左 右）的电路结构，也就是本帖实例介绍的FOT控制模式首先提出几个问题，希望大家能够一起探讨1、为什么市面上大多数单级PFC的LED驱动器都选用临界或者断续工作模式?2、为什么单级PFC的PF值随输入电压升高下降？3、为什么单级PFC的输出纹波如此之大？为了回答上面的几个问题，首先有必要讲一下单级PFC的基本原理.临界模式的单级PFC最早应该是由 L6562这颗PFC控制芯片改进得来的先给出一个框图描述L6562用于单级PFC的基本结构和外围电路， 定性分析工作原理先澈开PFC部分的功能，这个框图和普通的定频峰值电流控制模式反激式电路的区别在于没有固定的 时钟信号，开关管开启，初级电感电流上升到Rs上压降达到乘法器输出电压时，RS触发器翻转，开关管 关断。

对于定频PWM控制IC ,开关管的导通受固定频率时钟信号控制，而L6562则会一直等到磁芯完 成退磁，ZCD检测到辅助绕组电压回落到Vref-2时才重新开启开关管，因此电路被强制工作在临界模式 下再来看PFC功能乘法器的输入分别来自误差放大器的输出和整流后馒头状正弦半波的分压，因此乘 法器输出也是馒头状正弦半波，那么最终初级电感电流峰值也就跟随馒头状正弦半波，下面这个图可以说 明问题这种情况仅仅会在占空比超过0.5时发生，详解可以从下面这个图得出这个图来源于网络，由于不知 道最初出处，这里先引用了百线 004 率 mi=tana用率为・e2, -m2=tan(n・0)= - tanAI2 _ CD AC*tanz B All AB AC*tanzatanzBCF/EFdtenzaCF/OFldAI2 m2 故，匚—=—:=All ml:&当d>0.5时才有也2>八11说白了，次谐波振荡是由于开关频率和电流摆率固定造成的，一旦电流出现波动，将无法自动复位如 果将定频控制改成固定关断时间控制，那就很好解决了这个问题，无需多说，下面这个图可以一目了然不管是否出现波动，关断时间始终固定，最终电流是无条件复位的。

固定关断时间控制，这个我是参考了 ST的技术文档，这个文档讲L6562结成了固定关断时间控制模式, 用于PFC电路，将功率做到了 375W ,那么同样的结构用在单级PFC会怎样呢？首先上传这个文件，关 于具体的工作原理，有兴趣的可以自己仔细阅读一下L6562FOT.pdf我这里首先给出我的实验结果，设计目标是输入90-265VAC ,输出19V/5A ,恒压限流结构首先上 传一下图片.这个设计原边打算做到120W的因此磁芯选的有点大EC39 ）估计做100W左右,EC35或者PQ3230 肯定足够了，由于是实验，器件用得比较好,功率管为英飞凌的SPP20N65 ,保证了极低的Rdson ,同时 Qg很低，L6562直接驱动波形还算可以接下来上一下实测数据:复件新建Microsoft Excel工作表.xls所有实测数据没有考虑初级侧控制IC损耗（即IC采用辅助电源供电），输出电容实际并联了五颗 2200uF/25V ,90V下的测试数据没有记录，因为测试时样板上的流限电阻用的0.2R，无法满功率输出了再看一下输入电流波形：运行 .■ ,•... 狙 ―,….■已被，触发■JU 20(fv10.0msI.OOM次,秒<<* 7^(27 3^ 2014■ 500mA G— I，—)om 100k 点-8.00 V Jj S£08£29~~电丁瑁总时’从上到下分别是110V输入/1A输出，110V输入/5A输出，220V/1A输入和220V/5A输出。

Secondary currentpeak envelope,11Primary currentpeak envelope11,Averageprimary currentswitch nnjuLnji_n^uwi 制血这个图中可以得到很多信息，首先是，跟随线电压半波的是初级电感峰值电流，而输入平均电流和初级 电感峰值电流的关系为Iin-avg=Ipk*D/2 ,由于D是一个随线电压瞬时值升高而降低的变量，因此输入电 感的平均电流较标准正弦半波而言要更加扁，功率因素不可能达到理想的1.那么怎样提高功率因素呢？我们再看，反激式电路中D的表达式为：D=Vor/ ( Vor+Vin ) , Vor是反射电压，Vin是输入电压 单级PFC中，Vor=n* ( Vo+Vd )基本可认为是不变的，而Vin是随着线电压相角变化的,为了提高PF , 必须瘢弓D随线电压变化的程度，那唯一的办法就是增大Vor,当Vor大到一定程度时，Vin从零变化到 线电压峰值，D基本可认为不变了，那么功率因素就近似为1了通过以上的分析，应该已经完全解释了帖子开始提出的问题20在工程设计中，对于全电压情况下，通 常的设计使得H0V下的功率因素可以很容易超过0.98 ,但到了 265V的时候，通常只有0.9左右了，针 对这个问题，可以说,基本是没有办法的，进一步提高匝比，或者说是反射电压，肯定可以进一步改善， 但是MOS管的耐压就要进一步提高了，此外，过高的反射电压会导致另一个问题。

这个问题就是，当反 射电压明显大于输入电压时，变换器如果在断续工作模式(包括准谐振)，那么退磁完成进入自由振荡后, MOS管的漏极会出现负压，导致MOS管的体二极管导通，效率显著降低了继续来看上面那个图中包含的信息图中白色的三角状部分表示次级电感电流峰值，对这个电流取平均值， 就得到了次级电流的平均，和输入电流波形一样，是一个100Hz的比正弦半波更扁的低频波，这个电流最 终被分为两部分，一部分流入输出滤波电容，一部分流入负载理想情况下，电容上将吸收所有的交流， 输出负载只流过直流，但这个交流成分的频率是100Hz ,要处理如此的低频纹波，电容容量会大的惊人, 因此，第三个问题得到了解答，单级PFC的纹波很大也是从结构上没有办法改善的增加一级次级调节器 也许是唯一的办法接着讨论占空比相关的问题如果输出电压电流以及输入线电压不变，临界或者断续模式下的单级PFC 每一个开关周期的开关管导通时间是保持恒定的，这就保证了初级电感峰值电流跟随馒头状的正弦半波 但是需要引起注意的是，导通时间必定随着输出负载功率的增加以及线电压的圈氐而增大，至于道理很简 单，因为能量守恒,输出能量大了，输入电压彳氐了，那输入电流必须增大，因此导通时间势必增大。

导通 时间增大同时导致关断时间也要增大，最终在临界模式单级PFC中出现的现象是，平均开关频率的最低值 发生在最f氐线电压和重载下，最高值发生在最高线电压和轻载下,最彳氐我们知道不宜低于20KHZ ,否则可 能有音频噪声，最高，通常不高于150KHZ ,以免进入传导EMI测试频段，这就是很多IC内部为什么限 定最高与最低频率的原因开篇的三个问题，还有第一个没有回答，单级PFC通常工作在临界模式或者断续模式，这涉及到的原 因很多,下面一一道来，不全面的地方欢迎大家补充第一个原因：单级PFC工作在断续或者临界模式下可以实现原边恒流断续或者临界模式下，初次级侧电 感电流均为三角波，输出平均电流可以表达为Io=Ipks*D72 , D '是退磁时间，临界模式中可以近似等于 1-D ,其中Ipks=n*Ipkp ,而1-D可以从从初级侧驱动信号下降沿计时到过零检测触发结束得到，因此， 断续或者临界模式下要实现恒流，所需的全部信息可以从初级侧得到连续模式下则是不行的，因为电流 的劄直是不定的当然，连续模式下要实现原边恒流也未必不可能，有兴趣的可以参看一下上海占空比的 DU8623 ,细读一下其恒流专利，尽管这是一个BUCK结构的IC ,但其恒流思路用在连续模式下的原边反 馈应该是可行的，这里就不详述了。

第二个原因：大信号不稳定现象单级PFC电压瞬时值较｛氐时，占空比^常大，远超过0.5，如果 采用常见的定频PWM并且工作在连续模式,将产生次谐波不稳定问题,并且,由于输入电压是瞬间变化 的漫头状正弦半波，企图通过斜率补偿来消除这一不稳定现象几乎是不可能的本帖最终介绍的大功率单 级PFC采用固定固定关断时间的控制方法，避免了次谐波不稳定问题第三个原因：小信号不稳定现象这个问题可以说是t匕较牵强的，众所周知断续模式下不存在右半平面 零点问题，但实际上，单级PFC的环路带宽非常彳氐，完全避开了右半平面零点频率应该还有其他的原因，欢迎大家补充先来个实例，很早以前做的，LT3799 ,通用输入范围，输出1A恒流，电压20--25V0. 980. 960. 940. 920.90. 880. 8690V110V220V实测的功率因素如上图，全电压下，265V时的功率因素只有0.9左右了，再上个图看一下电流波形W ■・■・，・〜~L・—L*"'.…—.::::;;V: ..::J:□20.3 HZ01.94 V/.•. • - O21.3 Hz©-2.02 VA10.4 H2△ 3.96 V»• • • ••••••• • •—11■ 1.00 Vj^lO.Oms1.00M次/秒(2 厂[il**2.00000}ji100k点1.42 VJ.■知军平均值50.04最小值50.04最大值标准巷'50.04Q.000波形显示XY 1-5 关闭延退 而关闭3 12月2012 21:27:29第一个对应的功率因素为0.98,第二个对应的为0.9,0.9时的波形失真已经相当严重了，估计THD 超过20%吧。

再看一下输出电压纹波■ 5.00 V标准茬26.5 V24.0 VA2.50 V3 12月2012 21:23:46,□20.3 HZ21.3 HZ△ 10.4 HZ10.0msLOOM 次/杪URS 100k 点 fi_~221.0也低信号幅建长度100k延退西关闭波形显示这是输入220V/50HZ ,输出25V/1A时的输出电压波形，输出滤波电容为两个470uF ,低频纹波的峰 峰值为2.5V ,达到了输出电压的1/10.这个情况还不算恶劣的，输出大电流的情况下，低频纹波更显著继续来写，首先上传几个文件AN1059.pdfL6562 Transformer Calculate Tools5W.xlsVo=19VDC5AVaux=15VA vop-p=1Vre-design ChoicesFsmin=45 KHzVor=100V。