基于UC3846的有源嵌位單級(jí)PFC開(kāi)關(guān)電源 - 全文

一般地，普通的單級(jí)隔離式PFC變換器與傳統(tǒng)的DC／DC變換器相比，具有電壓應(yīng)力高、損耗大的缺點(diǎn)。針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種單級(jí)PFC變換器，采用帶有源嵌位和軟開(kāi)關(guān)的Boost-Flyback拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而有效地限制開(kāi)關(guān)管的電壓尖峰。電路主、輔開(kāi)關(guān)管在軟開(kāi)關(guān)條件下，減少了其自身的開(kāi)關(guān)損耗，提高了電源系統(tǒng)的整體輸出效率。另外，主、輔開(kāi)關(guān)管共用一組控制電路，有較強(qiáng)的實(shí)用性。

1、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1．1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

一個(gè)完整的、獨(dú)立工作的AC／DC開(kāi)關(guān)電源通常包括EMC（electromagneticcompatibility）濾波整流電路、主電路（含功率變換器、隔離變壓器）、PWM（pulsewidthmodulation）產(chǎn)生及控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、輸出電路、輔助電源電路、取樣電路。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其工作原理是：輸入交流市電220V，經(jīng)過(guò)EMC濾波整流電路、主電路、輸出電路后，得到24V直流電壓；同時(shí)，采用電流取樣和電壓取樣構(gòu)成雙閉環(huán)控制機(jī)制，經(jīng)PWM控制芯片調(diào)節(jié)PWM波形，再通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)24V直流電壓的穩(wěn)定輸出。

1．2、主電路

圖2是帶有源嵌位與軟開(kāi)關(guān)的單級(jí)PFC變換器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本文在基本的單級(jí)隔離式PFC變換器電路的基礎(chǔ)上，添加了一個(gè)輔助開(kāi)關(guān)管Q，和一個(gè)嵌位電容c。，構(gòu)成有源嵌位；利用變壓器漏感作為諧振電感L，主開(kāi)關(guān)管Q和輔助開(kāi)關(guān)管Q：的輸出電容及電路中其他的寄生電容總和作為諧振電容c，（虛線部分），通過(guò)L和c的諧振來(lái)實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)。

1．3、PWM產(chǎn)生及控制電路和驅(qū)動(dòng)電路

就整個(gè)系統(tǒng)而言，PWM產(chǎn)生及控制電路和驅(qū)動(dòng)電路就像人的大腦，控制著整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。本文舍棄傳統(tǒng)的PFC專(zhuān)業(yè)芯片（如L6561），選用PWM控制芯片UC3846。這種方案不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)PFC升壓電路和反激式電路的實(shí)時(shí)控制，且能簡(jiǎn)化外圍電路，降低成本。

UC3846是美國(guó)德州儀器生產(chǎn)的一款高性能固定頻率電流型PWM控制芯片，采用雙路互補(bǔ)輸出，常作為半橋、全橋雙極性變換器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)源。該芯片的優(yōu)點(diǎn)是功能齊全，內(nèi)置高頻振蕩器、差動(dòng)電流檢測(cè)放大器、精密基準(zhǔn)電壓、欠電壓鎖定電路以及軟啟動(dòng)電路，具有自我保護(hù)功能。外部控制電路較為簡(jiǎn)單，工作頻率最高可達(dá)500kHz，適應(yīng)于-165—150℃的外部環(huán)境，輸人電壓范圍為8～40v。該芯片的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

本文選用UC3846作為PWM控制芯片，引入電壓、電流雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，采用峰值電流模式。在圖2的基礎(chǔ)上，通過(guò)Saber仿真軟件加以輔助設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，構(gòu)建其他功能電路H，最終得到本文樣機(jī)的電路原理圖，如圖4所示。

由于篇幅有限，在此僅對(duì)PWM產(chǎn)生及控制電路和驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行詳述。UC3846的2腳產(chǎn)生5．1V的基準(zhǔn)電壓，1腳通過(guò)電阻R和R分壓（R與電容C。并聯(lián)），得到2．5v左右的電壓，以實(shí)現(xiàn)電路的軟啟動(dòng)功能；3，4腳分別作為電流采樣比較器的反、正相輸入端，其中3腳接地（GND），4腳接主開(kāi)關(guān)管Q（流過(guò)Q，的電流作為電流采樣信號(hào)），同時(shí)通過(guò)電阻和電容c8接至振蕩器CT端，進(jìn)行斜坡補(bǔ)償；5腳通過(guò)電阻R6和R1分壓，得到2．5V的電壓，作為電壓誤差放大器正相輸入端的基準(zhǔn)；6腳接輸出電壓的采樣信號(hào)（該采樣信號(hào)需經(jīng)過(guò)光耦PC817隔離）；7腳作為誤差放大器的輸出端，通過(guò)電阻R和電容．c．與6腳相連，構(gòu)成PI調(diào)節(jié)器；8，9腳作為振蕩器的震蕩電容電阻端，分別接電容c，和電阻，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)開(kāi)關(guān)頻~f=-50kHz；10腳懸空；11腳和14腳產(chǎn)生兩路互補(bǔ)方波信號(hào)（有一定的死區(qū)時(shí)間），分別輸入到高壓浮動(dòng)驅(qū)動(dòng)集成模塊IR2113輸入端的14腳和12腳；經(jīng)自舉電路后（自舉二極管D、自舉電容C），IR2113的輸出端1腳和、8腳輸出15V左右的互補(bǔ)信號(hào)，分別驅(qū)動(dòng)主開(kāi)關(guān)管Q1和輔助開(kāi)關(guān)管Q2

2、系統(tǒng)主要器件參數(shù)

本文設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)參數(shù)如下：開(kāi)關(guān)頻率．50kHz，額定輸出電壓Uo=24V，輸出的最大電流Io=2A。經(jīng)Saber仿真輔助設(shè)計(jì)和相關(guān)計(jì)算，系統(tǒng)主要器件參數(shù)如下。

1）PFC電感L：選用電感量1mH、線徑0．045cm的貼片電感。

2）儲(chǔ)能濾波電容C18：通過(guò)計(jì)算得到C18容量為60uF，而在實(shí)際電路中，采用100uF／450V的鋁電解電容。

繞組采用27號(hào)線（線徑等于0.040cm），單股繞制14匝。

3、樣機(jī)測(cè)試結(jié)果與分析

輸入交流市電220V，對(duì)不加PFC部件與PFC部件正常工作的2種情況對(duì)樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試，其輸入電壓、電流波形如圖6所示。

由圖6可知，與不加PFC部件的輸入電壓、電流波形相比，PFC部件正常工作時(shí)的輸入電流波形沒(méi)有發(fā)生畸變，且與輸入電壓的相位差幾乎為零。

利用Fluke43B電能質(zhì)量分析儀對(duì)樣機(jī)進(jìn)行實(shí)測(cè)，系統(tǒng)的功率因數(shù)達(dá)到了0．992。這也說(shuō)明了本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正的功能。

PFC部件正常工作時(shí)的電壓和電流采樣波形如圖7所示。

由圖7可知，PFC部件工作在斷續(xù)模式，采用峰值電流模式控制，電壓采樣波形較為平穩(wěn)，這也間接反映了輸出電壓是穩(wěn)定的。

輸出電壓波形如圖8所示。

由圖8可知，系統(tǒng)的輸出電壓始終恒定在24V，除示波器探頭引起的雜波干擾外，其自身紋波很小，達(dá)到了預(yù)期的效果。

輸人電壓ui=220V且滿載時(shí)，測(cè)得輸入電流有效值Ii=0．247A，計(jì)算得到輸人功率Pi=UiIi=54．4W，輸出功率Po=UoIo=48W，整機(jī)效率n=Po/Pi=0．88，因此，對(duì)于5Ow功率級(jí)的電源而言，該值滿足設(shè)計(jì)要求。

4、結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款基于PWM控制芯片UC3846的單級(jí)PFC開(kāi)關(guān)電源。介紹系統(tǒng)整體方案的同時(shí)，詳細(xì)剖析了系統(tǒng)電路原理。針對(duì)變壓器參數(shù)的設(shè)計(jì)難題，給出了較為詳盡地推導(dǎo)和選取原則。通過(guò)樣機(jī)測(cè)試表明了，功率因數(shù)、滿載效率和輸出電壓紋波均滿足設(shè)計(jì)要求?？梢?jiàn)，單級(jí)PFC技術(shù)能夠有效地提高系統(tǒng)的功率因數(shù)；有源嵌位軟開(kāi)關(guān)技術(shù)可以降低開(kāi)關(guān)管的損耗，從而提高電源效率。