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1、基于MC34262的PFC正反激开关电源电路设计之文献综述一、解析PFC开关电源以其效率高、功率密度大而在电源领域中占主导地位。开关电源多是通过整流 器和电力网相连，经典的整流器是由二极管或晶闸管组成的一个非线性电路，在电网中会产 生大量的电流谐波和无功功率而污染电网，成为电力公害。传统的开关电源存在一个致命的 弱点，即功率因数较低，一般仅为0.450.75，而且其无功分量基本上为高次谐波。而高次 谐波对电网的危害是巨大的。开关电源已成为电网最主要的谐波源之一。针对高次谐波的危害，无论是国际上还是国 内都用立法的形式限制高次谐波。国际电工委员会（IEC）指定了 IEC61000-3-2标准，其
2、A 类标准对电网谐波的要求见表1。表1 IEC61000-3-2A类标准对电网谐波的要求谐波次数n最大允许谐波电流（A）奇次32.3051.1470.7790.40110.33130.2115390.15x15/n偶次21.0840.4360.308400.23x8/n抑制开关电源产生谐波的方法主要有两种：一是被动法，即采用无源滤波或有缘滤波电 路来旁路或滤除谐波；二是主动法，即设计新一代高性能整流器，它具有输入电流为正弦波、 谐波含量低以及功率因数高等特点，即具有功率因数校正功能。国外改善开关电源功率因数 工作的重点，主要是功率因数校正电路拓扑结构的研究和功率因数校正控制集成电路的开 发，国
3、内一些厂家也做了类似的工作。1）、功率因数的定义功率因数（PF）定义为有功功率（P）与视在功率（S）的比值，公式为：P UI cos6 I cos6,PF = 1 11 = 11 =Y cos 6(1)S UII11 R12 + 12 + 12式中：I,为输入电流基波有效值；IR为电网电流有效值，IR= 12n，其中I1，1RR1I2，.，I为输入电流各次谐波有效值；U1为输入电压基波有效值；Y为输入电流的波形畸 2n1变因数；COSQ 为基波电压和基波电流的位移因数。可见，功率因数由输入电流的波形畸变因数Y以及基波电压和基波电流的位移因数cos 0 I决定。从（1）可知，抑制谐波分量即可达到
4、增大/、提高功率因数的目的。因此，可以 定性的说谐波的抑制电路就是功率因数校正电路（实际上二者有所区别）。如何抑制和消除谐波对公共电网的污染、提高功率因数已成为当今国内外电源界研究的 重要课题。PFC技术应用到新型开关电源中，已成为新一代开关电源的主要标准之一。2）、开关电源的功率因数常规开关电源功率因数低的根源是整流电路后面的滤波电容使输出电压平滑，但却使输 入电流变为尖脉冲，如图1-1所示。而当整流电路后面不加滤波电路，仅为电阻性负载时, 输入电流即为正弦波，并且与电源电压同相位，功率因数为1。因此功率因数校正电路的基 本思想是将整流电路与滤波电容隔开，使整流电路由电容性负载变为电阻性负载
5、。212112 + 12 + 1212n将各次谐波有效值与基波有效值的比值称为总谐波畸变(Tot al Harmonic Dis tor ti on,THD)，其表达式为THD =图1-1输入交流电压电流波形图3) 、PFC技术的分类根据电网供电方式，PFC电路可分为单相PFC电路和三相PFC电路；根据电路构成， PFC 电路可分为无源 PFC 电路和有源 PFC(Active Power Factor Correction,APFC)电路。PFC技术有多种分类方法，一般认为有两种基本的有源PFC技术，其中一种是变换器 工作在连续导电模式下得乘法器型PFC技术，另一种是变换器工作在不连续导电模
6、式下电 压跟随型PFC技术。乘法器型PFC技术的基本原理是Boost变换器工作在连续导电模式，其电感电流就是 输入电流。电感电流被采样并被控制，使其赋值和与输入电压同相位的正弦参考信号成正比， 从而达到功率因数校正的目的。乘法器型PFC技术的控制方式可分为三种：常频控制、常 误差带控制和变误差带控制。基本电压跟随器型PFC电路中的变换器工作在不连续导电模式，其开关由输出电压误 差信号控制，开关周期为常数。由于峰值电感电流基本上正比于输入电压，因此输入电流波 形自然与输入电压波形相同。4) 、功率因数校正控制方法1多脉冲整流法。它的基本原理是利用变压器对各次谐波电流进行移相，使奇次谐波在 变压器
7、次级相互叠加而抵消。这种方法在变压器负载平衡的情况下对减小输入端的低次谐波 是有效的。2无源滤波法。在电路的整流器和电容之间串联一个滤波电感，或在交流侧接入一个谐 振滤波器。其主要优点是电路简单，成本低，可靠性高，电磁干扰小；主要缺点是尺寸大， 重量大，难以得到高功率因数(一般可提高到0.9左右)，工作效率与频率、负载变化及输 入电压有关，电感和电容间有大的充放电电流等。这种方法对抑制高次谐波有效，但滤波设 备庞大，而且运行情况受系统阻抗的影响，若不适用调谐电抗器，很可能会与系统电抗产生 并联谐振。3有源功率因数校正法。它直接采用有源开关或AC/DC变换技术，使输入电流成为和 电网电压同相位的
8、正弦波。在整流器和负载之间接入一个DC/DC开关变换器，应用电流反 馈技术，使输入电流*的波形跟踪交流输入正弦电压的波形，从而使电网输入端的电流波形 逼近正弦波，并与输入的电网电压同相位。这种方法的主要优点是：可得到较高的功率因数， 总谐波畸变小，可在较宽的输入电压范围内和宽带下工作，体积小，重量轻,输出电压也可 以保持恒定。主要缺点是：电路复杂，MTBF （平均无故障时间）下降，成本较高，效率会 有所降低等。综上所述，只要设法抑制输入电流中的谐波分量，即通过电路方法将输入电流波形校正 为正弦波或使其无线接近正弦波，即可时间功率因数校正。5）、有源功率因数校正（APFC）中的控制技术1. 平均
9、电流型控制Boost PFC平均电流型控制Boost PFC通过检测Boost电感电流并与正弦电流基准信号进行比较， 所得的误差信号经放大后再与斜波信号进行比较，产生PWM占空比信号去控制主开关，以 实现单位功率因数和稳定输出电压。其中正弦电流基准信号由AB/C获得，其中A为输出 检测信号经误差放大后的输出，B是全波正弦输入电压的取样信号，C则为输入交流电压取 样信号平均值的平方。这种技术的电压环带控制在20Hz以下，电流环则要求足够快以满足不失真和低谐波的 要求。它有专用控制器芯片，如UC3854，目前通常用于1kW以上的功率级。这种技术的 优点是定频控制，功率因数较高；缺点是要检测电感电流
10、，控制器外围参数设计和选择较为 复杂。2. CCM/DCM 边界控制 Boost PFCCCM/DCM边界控制Boost PFC则是一种滞后控制技术，它的上限是一个正弦基准电流， 由输出检测信号经误差放大后与输入全波电压的检测信号相乘获得，下限则为零。其具体过 程是，检测电感电流并与正弦电流基准信号相比较，当电感电流达到该基准时关断开关，当 电感电流为零时再次开通。这种控制使得电感电流为临界电流工作状态，即CCM/DCM边 界，可以消除二极管的反向恢复损耗，大大减小主开关的非零电压开通损耗。但它是一种变 频控制技术，EMI滤波器的设计较为困难。另外，由于电感较小，电感纹波电流较大，开 关器件的
11、通态损耗有所增加，因此在1kW以内可以采用这种技术。其优点是控制简单，专 用芯片（如MC34262）的外围元件数量很少。3. 电流钳位控制Boost PFC电流钳位控制Boost PFC实际上就是电流型控制Boost电路。由于外环是一个带宽非常 窄的电压环，其输出与开关电流比较后去控制主开关的占空比，由此产生的输入电流介于正 弦电流与方波电流之间，但仍有很高的功率因数。只要补偿斜波的参数选择得当，便可相当 容易满足IEC1000-3-2标准。采用这种技术的控制器就是专门的电流型PWM控制器，如 UC3842UC3845。最大占空比的控制和前馈环节的加入都会明显改善波形和提高功率因数。 这种技术
12、控制及其简单，但谐波性能指标相对较差，因此多用于小功率场合（450W以内）。除了上面三种常用的控制技术外，还有许多其他的控制技术，如One Cycle控制的PFC 技术，非线性载波控制的PFC技术等，这里不再赘述。二、解析开关电源纹波1）、开关电源纹波产生的原因我们最终的目的是要把输出纹波降低到可以忍受的程度，达到这个目的最根本的解决办 法就是要尽量避免纹波的产生，随着SWITCH的开关，电感L中的电流也是在输出电流的 有效值上下波动的。所以在输出端也会出现一个与SWITCH同频率的纹波，一般所说的纹 波就是指这个。另外，SWITCH 一般选用双极性晶体管或者MOSFET，不管是哪种，在其导通
13、和截止 的时候，都会有一个上升时间和下降时间。这时候在电路中就会出现一个与SWITCH上升、 下降时间的频率相同或者奇数倍频的噪声，一般为几十兆赫。如果是AC/DC变换器，除了上述两种纹波(噪声)以外，还有AC噪声，频率是输入 AC电源的频率，为50-60HZ左右。还有一种共模噪声，是由于很多开关电压的功率器件使 用外壳作为散热器，产生的等效电容导致的。2) 、抑制纹波的措施对于开关电源纹波，理论上和实际上都是一定存在的。为了实现开关电源的低纹波输出， 对低频电源噪声必须采取滤波措施；对于高频噪声，开关电源需要依靠功率器件对输入直流 电压进行高频变脉宽波斩波而后整流滤波实现稳压输出地。受功率器
14、件开关损耗的限制，电 源的开关频率一般取20-lOOKHz,开关频率越高，电感电容越大，则输出纹波越小。在其输 出端含有与斩波频率同频的高噪声，其大小主要和开关电源的开关频率及输出滤波器的结构 和参数有关。下面我们提出抑制或减少电源纹波的有效方法：1).加大电感和输出电容滤波根据开关电源的公式，电感内电流波动大小和电感值成反比，输出纹波和输出电容值成 反比。所以，加大电感值和输出电容值可以减小纹波。同样，输出电容Co与纹波电压Vp_p的关系：C 二 I (T + T ) / 8Vripple(p _ p)o pk on off可以看出，加大输出电容值可以减小纹波。通常的做法，对于输出电容，使用
15、铝电解电 容以达到大容量的目的。但是，电解电容在抑制高频噪声方面效果不是很好，而且等效串联 电阻(ESR)也比较大，所以会在它旁边并联一个陶瓷电容，来弥补铝电解电容的不足。同 时，开关电源工作时，输入端的电压Vin不变，但是，电流是随开关变换的。这时输入电源 不会很好地提供电流，通常在靠近电流输入端，并联电容来提供电流。图2-1电容对纹波的印制图2.二级滤波，再加一级LC滤波器LC滤波器对躁声纹波的抑制作用比较明显，根据要去除的纹波频率选择合适的电感电 容构成滤波电路，一般能够很好的减小纹波。但是这种情况下需要考虑反馈比较电压的采样 点。采样点选在LC滤波器之前，输出电压会降低。因为任何电感都有一个直流电阻，当有 电流输出时，在电感上会有压降产生，导致电源的输出电压降低，而且这个压降是随输出电流变换的。图3-2为滤除低频的LC滤波器。采样点选在LC滤波器滞后，这样输出电压就是我们所希望得到的电压，这样的缺点是 在电源系统内部引入了一个电感和一个电容，有可能会导致系统不稳定。Ljm图3-2.LC低频滤波器3.开关电源输出滞后，接低压差线性稳压器（LDO）滤波这是减少纹波和噪声最有效的办法，输出电压恒定，不需要改变原有的反馈系统，但也 是成本最高，功耗最高的办法。任何一款LDO都有一项指标：噪声抑制比。对几百千赫的
