单相PFC电路设计模块

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1、采用L4981控制的CCMPFC电路设 计规范规范编码：TS-C010106001艾默生网络能源有限公司 一次电源部版 本: 1.0密级：秘密执笔人：潘诗锋页数：共10页采用L4981控制的CCMPFC电路设计规范2006年7月25日发布2006年7月25日实施深圳市艾默生网络能源有限公司、八、亠前言本规范于2006年7月25日首次发布。本规范起草单位：一次电源部/de globe本规范执笔人：潘诗锋本规范主要起草人：潘诗锋本规范标准化审查人：本规范审核人：张强、茹永刚、余时强、吕明海、刘志宇、首福俊 本规范批准人：本规范修改记录：更改信息登记表规范名称:釆用L4981控制的CCM-PFC电路

2、设计规范规范编码: TS-C010106001目 录 5摘要： 6关键词： 6缩略词解释 6一. 来源 6二. 适用范围 6三. 规范满足的技术指标（特征指标） 6四. 详细的电路图 7五. 工作原理和参数计算 9六. 设计调试要点 9七. 局部PCB图17八. 器件容差分析 17九. 电路FMEA分析18十.附录 19十一. 参考文献列表 19十二. 附件 19摘要：本规范介绍了采用L4981控制的连续型（CCM）PFC的工作原理及设计要点。关键词：CCM ，PFC，L4981缩略词解释CCM : Continuous Current Mode，电感电流连续模式PFC : Power Fac

3、tor Correction功率因数校正一. 来源本规范中的电路来源于R48-1800 （公司内部型号为H4413BZ）和R48-1800A （公司内部型 号为H4413AZ）AC/DC模块的PFC电路，已经在H4413BZ和H4413AZ模块中得到较小批量的使用 验证。二. 适用范围采用L4981作为主控芯片的CCM-PFC，具有输入电流波形失真度小、功率因数高、输入EMI小，对电流采样信号的干扰不敏感、以及不需要外部补偿谐波等优点。该芯片与我司通 用的UC3854相比，性能和设计方法相近，但增加了输出过压保护、同步信号输入、负载前馈 等功能，使用更方便，同时价格比UC3854低，在目前成本

4、压力越来越大的情况下，选用该控 制芯片是个不错的选择。该芯片在ASTEC等公司已经大批量采用，适用于85300VAC单相输 入，中等输出功率的PFC。三. 规范满足的技术指标（特征指标）输入电压：AC 85V_300V,45_65Hz输出电压：DC 415V输出功率：1850W （ 176VAC输入）850W（ 85VAC 输入）850_1850W 线性变化（85一176VAC输入）额定效率：96%额定功率因数：0.99输入电流谐波：满足IEC61000-3-2THD： 5% （200250VAC, 5060HZ，半载以上负载）四. 详细的电路图图1. PFC电路拓扑C43图1. PFC主功率

5、电路图（简化）Etn Lof ytftor fs W3 SMIiXu*名称釆用L4981控制的CCM-PFC电路设计规范第8页，共20页图3 PFC控制电路图电路图说明：1. ACL1, ACN1为输入L、N线经过EMI滤波网络后的输出2. VCC1为辅助电源电压，H4413AZ中为15.2V, H4413BZ中为14.2V名称釆用L4981控制的CCM-PFC电路设计规范第9页，共20页3. PFCstart信号为DSP发出的一个启动PFC的信号，该信号经过光藕隔离后作为PFC启动 信号五. 工作原理和参数计算在DSP发出了PFC启动信号后（即PFCstart信号为高），L4981首先进行软

6、起过程，这个 过程中PFC脉宽逐渐展开，PFC电压逐渐建立。PFC启动后，PFC电压环控制PFC电压维持在设定电压值，其输出正比于PFC输出功率； PFC电流环将控制PFC电流跟踪基准电流。由于基准电流的波形是以AC整流电压波形为基础 的，并且相移非常小，因此PFC电流可以跟踪输入电压的波形获得较低的THD，同时具有很 高的功率因数。当dsp发出关PFC信号后（即PFCstart信号为低），PFC将进入保护状态，此时驱动信号 完全关闭，芯片的基准5.1 V也不建立，同时芯片还会对软启动脚（SS脚）的电荷进行泄放。 当PFC启动信号再度建立时，PFC会重新进行软启动过程，因此不会出现PFC电压和

7、输入电流 的过冲。在PFC电压异常且高于设定的电压上限后，PFC过压保护电路动作，它将启动对软启动 电容的放电，使PFC驱动脉宽逐渐降为零，PFC停止工作，同时也会对软启动脚上的电荷进 行泻放。当PFC电压低于恢复点后，PFC重新启动，且有软启动过程。PFC峰值限流电路可以设定PFC电感电流的峰值，该电路主要是防止在输入/输出跳变时 PFC电感电流过大而造成PFC MOS管和二极管应力过大。L4981有两种型号，L4981A和L4981B，其区别有两方面。第一，L4981A是固定开关频 率的，而L4981B的工作频率可以外部调制；第二，L4981A峰值限流电路中有一个电流源， 因此芯片的IPK

8、脚上只需要外接一个电阻就可以实现峰值限流，但该电流源精度较差，因此 限流点离散性较大，要获得较高的限流精度，需要外接两个电阻，而L4981B限流电路内部没 有电流源，因此外部必须要外接两个电阻。如果不需要频率调制，且限流电路外部都接两个 电阻，那么L4981A和L4981B可以完全一样使用。详细的参数计算文件见附件。六. 设计调试要点名称釆用L4981控制的CCM-PFC电路设计规范第10页，共20页一)功率电路设计调试要点1. EMI滤波电路EMI电路对PFC电路的影响主要是二次谐振的风险。一般而言EMI滤波器中频率最低 的谐振点对PFC环路的影响最大，如果谐振峰太强就会导致PFC电流环的二

9、次穿越，对电 流环的稳定性带来威胁。可以采取的措施包括，在EMC允许的情况下尽量减小EMI滤波 电路中的差模电感的感量和减小X电容的容量以使谐振点频率尽量后移；在THD和电流 环带宽允许的情况下适当降低电流环补偿器的直流增益；在效率允许的情况下增大PFC 电感量，使PFC电感和电容决定的主极点频率前移，以使在主极点之后的增益曲线获得 一定程度的降低；在效率允许的情况下适当增大EMI滤波电感、X电容、PFC电感或PFC 电容的ESR,从而降低谐振状态下的Q值以降低谐振峰。另外PFC控制电路中的Iac采样电 路中滤波对于抑制二次谐振也有很大的作用，具体参见后面控制电路调试要点中的Iac采 样部分。

10、在实际应用中，如果输入端口串连了LISN，那么二次谐振的频率会前移，一般而言 谐振峰的强度也会提高，有可能造成环路不稳。因此在优化环路时，应该在带LIS N的情 况下进行，以保证环路的可靠性。2. 整流桥后的滤波电容该电容的作用是部分解藕PFC电感上的开关纹波电流。在没有该电容的情况下，所 有的纹波电流都流过整流桥，整流桥的功耗会明显增大。在H 4413AZ(BZ)中该电容取为 luF，整流桥的热裕量相当充分。3. PFC电感要使PFC电流处于连续状态，PFC电感量需要足够大。而在能保证电流连续的基础上 PFC电感量的最终确定可以通过PFC效率的测试来决定。如果PFC电流环的二次谐振很 强，也

11、可以考虑通过增大PFC电感量来抑制。在H4413AZ(BZ)中发现当PFC电感取为96圈 时效率最高，同时也对二次谐振有很好的抑制作用。采用不同的磁芯对效率的影响也不同。实验发现相同圈数下使用Arnold磁芯比采用 上钢所的磁芯效率高约0.2%，但Arnold磁芯比上钢所磁芯贵很多，所以最终采用上钢所 磁芯。4. PFC MOS管驱动电路当PFC MOS管的开通速度太快时，PFC母线电压中会含有较高的PFC开管尖峰。这 个尖峰会通过DCDC传到输出，影响输出电压的峰峰值。当输出电压峰峰值中PFC开关尖 峰过高，且已无法通过优化PFC MOS管和PFC二极管的吸收电路来抑制的情况下，可以 从优化

12、驱动电路方面着手。减慢驱动电路的开通速度可以有效降低母线电压上的PFC尖 峰，即增大图中R117, R119, R120, R121。增大R126, R129也可以减慢开通速度，但 是同时也会减慢关断速度，使PFC损耗增大效率降低。二)控制电路调试要点1. PFC开关频率PFC的开关频率由C402，C404, R425，R453决定，L4981开关频率的典型公式为f - 12.44在H 4413AZ(BZ)中，原来PFC频率为50kHz，由于其三次谐波(150kHz )分量较高，使得 EMC传导较难做。因此在确认了对效率基本没有影响的情况下将PFC开关频率降低，由 50k降为45k,以避开PF

13、C对于EMC传导的影响。在设计中这是个较简单实用的方法。2. 软启动电容容值的选取。软起动电容的大小直接决定PFC启动的快慢。电容越大，PFC启动冲击电流越小，启 动时间越长；电容越小，PFC启动冲击电流越大，启动时间越短。该电容容值的确定需 要结合启动时间和启动冲击电流两方面考虑。在H 4413AZ(BZ)中，软启动电容取为3 uF。3. PFC过压保护一般来说PFC过压保护点设计时不能太高，也不能太低。保护点太低，在小动态时 就容易使PFC进入过压保护；太高，则不能起到保护作用。对于H4413AZ, PFC电压设 计在415V，因此将过压保护点设计在460V。为了防止一些动态过程中瞬间电压

14、超过 460V而导致过压保护动作，在反馈点对地之间需要并一个电容，电容的容量可以取为 0.11uF之间，具体可以结合动态实验来确定该容值。4.峰值限流名称釆用L4981控制的CCM-PFC电路设计规范第12页，共20页如原理图所示，通过两个电阻R421和R417就可以设定峰值电流大小。需要注意的是 如果采用的是L4981A，L4981A内部过流保护比较器电路中有一50uA的电流源，如果由 R421和R417组成的分压电路的电流为mA级别，那么这个电流源的影响可以不考虑，如 果分压电路的电流也是几十微安级别附近，那么该电流源的影响必须要考虑。如果采用 L4981B，由于L4981B内部过流保护比

15、较器电路中没有电流源，因此限流值完全由外部的 分压电阻来决定。5. Iac采样1)Iac采样中的滤波电容由于Iac采样是在整流桥之前取AC电压，没有经过EMC滤波电路，因此其上有很高 的开关纹波，如果不加滤波就作为Iac采样会使得二次穿越幅值增高，同时85 V输入15A输 出时容易振荡。由于L4981的Iac脚在内部直接接至一个二极管。因此如果将电容直接接在L4981的Iac 脚上将起不到任何滤波作用，在H 4413AZ(BZ)中该电容(C406,C431)的位置如图所示， 其与Iac脚之间隔一个电阻。该滤波电容的大小也有影响。太小则起不到滤波作用，在H 4413AZ(BZ)中，该电容 如果小于220p，在85 V输入15A输出时会有振荡。太大则会使85V输入15A输入时输入电 流过零处长尖，该尖随着电容的增大而增大，该尖的存在会使输出杂音变差。