高功率因數(shù)開關電源的分析與設計

劉萍+石歡歡+黃圣妍+刁婉玉

摘 要： 功率因數(shù)校正是開關電源設計中的一個重要問題，PFC以其外圍電路簡單，功率因數(shù)高而得到廣泛使用，但PFC外圍參數(shù)的設計是一個難點。針對此問題，提出一種確定外圍參數(shù)的方法。通過理論分析控制器件內部結構、建立數(shù)學模型、Matlab仿真分析，從而在理論上完全掌握控制器件外圍參數(shù)對系統(tǒng)控制性能的影響，避免在調試過程中出現(xiàn)太多的盲點。將此方法確定的參數(shù)應用于實際電路，只需經(jīng)過簡單調試，就可設計一款性能較好的高功率因數(shù)開關電源。

關鍵詞： 功率因數(shù)； UCC28019； 參數(shù)計算； 調試

中圖分類號： TN701?34； TM761 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）15?0145?03

Analysis and design of switch power with high?power factor

LIU Ping， SHI Huang?huang， HUANG Sheng?yan， DIAO Wan?yu

（Tan Kah Kee College， Xiamen University， Zhangzhou 363105， China）

Abstract： Power factor correction （PFC） is an important issue in switching power supply design. PFC is widely used due to its simple peripheral circuits and high?power factor， but design of the PFC external parameters is difficult. To solve this problem， a method to determine the external parameters is proposed. The internal structure of the control device is analyzed theoretically， mathematical model is established and Matlab simulation analysis is performed， so as to fully grasp the influence of external parameters on the control performance of the system， and avoid too many blind spots in the debugging process. If the parameters determined with this method is apply to the actual circuit， a high?power factor switch power supply with high performance can be designed by means of a simple debugging.

Keywords： power factor； UCC28019； parameter calculation； debugging

節(jié)約能源是當今社會的主流，一款好的電源產品應在幾乎無浪費的情況下完成能源的轉換，而功率因數(shù)是衡量能源轉換高低的一個重要指標，功率因數(shù)越高，能源浪費越少。目前通過查找功率因數(shù)校正的開關電源的資料學習，普遍上手不快，主要是對電路的外圍元件參數(shù)的設置不解。針對此問題，本文詳細介紹一款高功率因數(shù)開關電源，重在分析參數(shù)對電源系統(tǒng)的影響。設計的電源具體指標要求為：輸入交流電壓[Uin]在20～30 V變化時，輸出直流電壓[Uout=]36 V±0.1 V，輸出電流[Iout=]2 A；電源輸入側功率因數(shù)在0.8～1可測、可調整。

1 控制系統(tǒng)分析與設計

該電源設計分為三部分：功率因數(shù)測量、升壓電路、功率因數(shù)校正，設計難點在于功率因數(shù)的校正。功率因數(shù)校正（PFC）可選控制芯片很多，本文選擇一款在連續(xù)工作模式下，以固定頻率65 kHz工作的控制芯片UCC28019。該芯片外圍電路簡單，與升壓電路結合，可實現(xiàn)20～30 V交流輸入到36 V穩(wěn)壓，無需降壓電路，核心關鍵的問題在于外圍電路的參數(shù)的確定。UCC28019芯片資料提供相應公式用于計算電阻、電容等參數(shù)，但將計算所得參數(shù)應用實際電路中，會發(fā)現(xiàn)得不到理想的系統(tǒng)輸出，盲目修改參數(shù)進行調試有時雖花費大量的時間但不成功，本文將結合芯片內部結構進行深入分析關鍵參數(shù)對系統(tǒng)的影響，從而提高硬件電路的調試效率。

1.1 功率因數(shù)測量

功率因數(shù)PF是指交流輸入有功功率[P]與視在功率S的比值[1]。

[PF=PS=PURMSIRMS=1Ni=1NUiIi1Ni=1NUi21Ni=1NIi2]

式中：[URMS，][IRMS]為電壓、電流的有效值。利用微型精密電壓互感器、電流傳感器采集電源輸入側的電壓、電流，為方便單片機采集數(shù)據(jù)（只讀取正向數(shù)值），在各互感器后連接整流橋。具體電路如圖1，圖2所示。

圖1 電壓采樣

圖2 電流采樣

1.2 升壓型功率因數(shù)校正

設計電路，首先需計算電源指標[1]：

根據(jù)電源設計要求，可得輸入電流最大有效值為3.83 A；輸入電流有效值峰值為5.41 A；輸入電流最大值平均值為3.45 A，輸入電感電流最大峰值為5.95 A，由此計算相關參數(shù)。圖3為升壓型功率因數(shù)校正電路圖。

圖3 升壓型PFC電路

1.2.1 部分參數(shù)的選取

圖3電路設計的難點在于UCC28019電壓回路參數(shù)的確定，其余參數(shù)結合經(jīng)驗及技術文檔資料可得，這里就不再詳述其參數(shù)的設計過程。使用多個并聯(lián)低壓降的二極管BYQ28E構成整流橋；并接一個低ESR的155 CBB電容濾除整流輸出電壓的高頻成分；升壓電感選用環(huán)形鐵硅鋁粉芯，其電感量取128 μH；輸出濾波電容[Cout]取2個4 700 μF電容并聯(lián)；取樣電阻[R2]取0.1[Ω]的康銅絲；濾波電容[C9]取0.47 μF；電壓[VIN]輸入端電阻[R9]取10 kΩ，[R6]取170 kΩ；電壓輸入端電容[C8]取10 μF。

1.2.2 電壓回路分析及參數(shù)計算

查閱UCC28019內部結構[2]，得電壓回路方框圖，如圖4所示。

圖4 電壓回路方框圖

傳函[G2]為系統(tǒng)固有部分，[G3]為升壓電路部分，[G1]由圖5求得，[G4]由圖6求得，兩者均與UCC28019的外圍參數(shù)有關。

圖5 gmv控制器 圖6 反饋裝置

由圖5、圖6求取傳函：

[G4=VsenseVout=R4（R3+R4）=50 000（50 000+310 000）=536]

[G1=VcompVsense=（VcompVOTA1）（IOTA1IOTA1）=（1+sR7C7）（C6+C7）s（1+sR7C6C7（C6+C7））gmv]

式中：gmv為常數(shù)，值為[42×10-6 μs]，令：

[w1=1（R7C7）， w2=（C6+C7）（R7C6C7）]

得：

[G1=（1+sw1）（C6+C7）s（1+sw2）]

[G1]環(huán)節(jié)相當于超前?滯后校正控制器，[G1]中[C7]變化影響系統(tǒng)的開環(huán)零、極點及開環(huán)增益；[C6]變化影響系統(tǒng)的開環(huán)增益，開環(huán)極點；[R7]變化影響系統(tǒng)的開環(huán)零點、極點。各參數(shù)變化均會影響系統(tǒng)性能。查文檔得：

[G2G3=（M3VoutM1M2）（sw3+1）=49.5（s10.7+1）][w3=KFQM1M2V3inrmsK1R2V3outCout，M3=0.512，M1=0.484，M1M2=0.372，K1=7]

綜合得：[G2G3G4=6.88（0.093s+1）。]

利用Matlab線性時不變工具LTIVIEW對[G2G3G4]仿真，波特圖如圖7所示。

圖7 [G2G3G4]波特圖

對PFC電路而言，系統(tǒng)傳函的帶寬要小于20 Hz（128.6 rad/s）[2]，結合圖7仿真曲線，將系統(tǒng)的截止頻率設置在[Wc=]100 rad/s，既滿足帶寬要求，又能有較佳的動態(tài)性能，此時[G1]在截止頻率處需提供2.72 dB的增益進行補償；為提高系統(tǒng)的相角裕度用[G1]中[w1]處的零點補償開環(huán)傳函[w3]處的極點；為提高系統(tǒng)的抗干擾能力，可將[G1]中的[w2]設置為高頻段，取值為[2×π×50]Hz。

令[20lgG1（j100）=2.72，]得[C7=3 ]μF。

令[w1=1（R7C7）=10.7，C7=3 ]μF，得[R7=31 ]kΩ，取[R7=][30 ]kΩ，令[w2=（C6+C7）（R7C6C7）=2×π×50，]得[C6=0.1 ]μF。

綜合得[G1=42×（1+s10.7）（3.1s（1+s314））。]

再次利用Matlab對系統(tǒng)開環(huán)傳[G1G2G3G4]進行仿真，波特圖如圖8所示。截止頻率在90 rad/s，與預期目標相比，截止頻率略微前移，可對校正過程做些微調，但分析校正后系統(tǒng)性能，已達到較佳性能，可以不用重新設計。

圖8 [G1G2G2G4]波特圖

1.2.3 電流回路分析及參數(shù)選定

查閱UCC28019內部結構[2]，繪制其電流回路方框圖，如圖9所示。

圖9 電流回路方框圖

電流回路可實現(xiàn)電流跟蹤電壓，從而完成電壓、電流同向，即實現(xiàn)高功率因數(shù)校正。

該回路電容參數(shù)代入公式計算，取[C5=]1 nF。

1.2.4 功率因數(shù)調整方法

由圖8分析，[R7]變化影響[Vcomp]的幅值、相位，由圖9分析，電流[Iin]跟蹤[Vcomp。]而輸入電壓相位不受UCC28019控制，因此，調整[R7]的大小可以改變輸入電壓、電流的相位差，即調整功率因數(shù)。在電路設計中，為方便調整功率因數(shù)，將[R7]設置為滑阻。

1.2.5 優(yōu)化設計，提高效率

為保證電源效率高，升壓電路中的二極管、開關管盡可能用功耗小、恢復快的，如二極管BYQ28E，開關管IRF3710；反饋電阻盡可能用大的，可降低損耗；多個低壓降二極管并聯(lián)構成整流電路；減小開關管柵極串聯(lián)電阻，串接小電阻，防止振蕩；在柵極和源極并接大阻值電阻，減小開關管斷開時的靜態(tài)電流等。

2 實 驗

設計一款基于UCC28019的高功率因數(shù)開關電源，主體電路如圖1～圖3所示。各元件參數(shù)采用上節(jié)的設計結果，搭建硬件電路，并制版，檢測時在輸入側串接電參數(shù)測量儀測量系統(tǒng)功率因數(shù)、效率，輸入端接至調壓器輸出端。當調壓器輸出24 V，輸出電流在0.2～2.0 A變化時，負載輸出實時用萬用表檢測，其值在35.9～36.1 V之間；電參數(shù)測量儀功率因數(shù)顯示0.98以上，效率0.95；調整[R7]滑阻大小，功率因數(shù)可降至0.8；單片機測量能同步準確顯示，整體滿足設計要求。

3 結 論

利用UCC2809進行高功率因數(shù)開關電源的設計，可簡化設計過程，但能否獲得良好的性能，很大程度上取決于參數(shù)的選取，而參數(shù)的確定不能只由技術文檔確定，而應結合深入理論分析的結果對參數(shù)進行適當調整。實驗結果表明，采用有效的分析方法，對硬件電路的調試有事倍功半的效果。

參考文獻

[1] 賁洪奇.開關電源中的有源功率因數(shù)校正技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[2] Texas Instruments.8?pin conduction mode（CCM）PFC Controller [EB/OL].[2007?12?01].http：//focus.ti.com/lit/ds/symlink/ucc28109.

[3] PRESSMAN A.開關電源設計[M].王志強，譯.3版.北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[4] 喻壽益，楊柳，陳寧，等.Boost型電路雙閉環(huán)功率因數(shù)校正控制策略[J].控制工程，2013，20（1）：18?21.

[5] 滿紅，梁迎春，冀勇鋼.自動控制原理[M].北京：清華大學出版社，2011.

[6] 雷丹，趙金，何為.一種非隔離型高功率因數(shù)開關電源的研制[J].電氣技術，2011，30（16）：56?58.

[7] 趙勝.基于有源功率因數(shù)校正的計算機開關電源設計[J].電源技術，2013，37（4）：633?634.

[8] 程良濤，李輝.一種高功率因數(shù)PFC的研制[J].電源技術，2010，34（10）：1068?1071.

[9] 朱建渠，謝東，王峰.開關電源整流功率因數(shù)校正的研究[J].電源技術，2012，36（8）：1178?1180.

[10] 張厚升.一種單相高功率因數(shù)整流器的設計[J].低壓電器，2010（18）：26?30.

2 實 驗

設計一款基于UCC28019的高功率因數(shù)開關電源，主體電路如圖1～圖3所示。各元件參數(shù)采用上節(jié)的設計結果，搭建硬件電路，并制版，檢測時在輸入側串接電參數(shù)測量儀測量系統(tǒng)功率因數(shù)、效率，輸入端接至調壓器輸出端。當調壓器輸出24 V，輸出電流在0.2～2.0 A變化時，負載輸出實時用萬用表檢測，其值在35.9～36.1 V之間；電參數(shù)測量儀功率因數(shù)顯示0.98以上，效率0.95；調整[R7]滑阻大小，功率因數(shù)可降至0.8；單片機測量能同步準確顯示，整體滿足設計要求。

3 結 論

利用UCC2809進行高功率因數(shù)開關電源的設計，可簡化設計過程，但能否獲得良好的性能，很大程度上取決于參數(shù)的選取，而參數(shù)的確定不能只由技術文檔確定，而應結合深入理論分析的結果對參數(shù)進行適當調整。實驗結果表明，采用有效的分析方法，對硬件電路的調試有事倍功半的效果。

參考文獻

[1] 賁洪奇.開關電源中的有源功率因數(shù)校正技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[2] Texas Instruments.8?pin conduction mode（CCM）PFC Controller [EB/OL].[2007?12?01].http：//focus.ti.com/lit/ds/symlink/ucc28109.

[3] PRESSMAN A.開關電源設計[M].王志強，譯.3版.北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[4] 喻壽益，楊柳，陳寧，等.Boost型電路雙閉環(huán)功率因數(shù)校正控制策略[J].控制工程，2013，20（1）：18?21.

[5] 滿紅，梁迎春，冀勇鋼.自動控制原理[M].北京：清華大學出版社，2011.

[6] 雷丹，趙金，何為.一種非隔離型高功率因數(shù)開關電源的研制[J].電氣技術，2011，30（16）：56?58.

[7] 趙勝.基于有源功率因數(shù)校正的計算機開關電源設計[J].電源技術，2013，37（4）：633?634.

[8] 程良濤，李輝.一種高功率因數(shù)PFC的研制[J].電源技術，2010，34（10）：1068?1071.

[9] 朱建渠，謝東，王峰.開關電源整流功率因數(shù)校正的研究[J].電源技術，2012，36（8）：1178?1180.

[10] 張厚升.一種單相高功率因數(shù)整流器的設計[J].低壓電器，2010（18）：26?30.

2 實 驗

設計一款基于UCC28019的高功率因數(shù)開關電源，主體電路如圖1～圖3所示。各元件參數(shù)采用上節(jié)的設計結果，搭建硬件電路，并制版，檢測時在輸入側串接電參數(shù)測量儀測量系統(tǒng)功率因數(shù)、效率，輸入端接至調壓器輸出端。當調壓器輸出24 V，輸出電流在0.2～2.0 A變化時，負載輸出實時用萬用表檢測，其值在35.9～36.1 V之間；電參數(shù)測量儀功率因數(shù)顯示0.98以上，效率0.95；調整[R7]滑阻大小，功率因數(shù)可降至0.8；單片機測量能同步準確顯示，整體滿足設計要求。

3 結 論

利用UCC2809進行高功率因數(shù)開關電源的設計，可簡化設計過程，但能否獲得良好的性能，很大程度上取決于參數(shù)的選取，而參數(shù)的確定不能只由技術文檔確定，而應結合深入理論分析的結果對參數(shù)進行適當調整。實驗結果表明，采用有效的分析方法，對硬件電路的調試有事倍功半的效果。

參考文獻

[1] 賁洪奇.開關電源中的有源功率因數(shù)校正技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[2] Texas Instruments.8?pin conduction mode（CCM）PFC Controller [EB/OL].[2007?12?01].http：//focus.ti.com/lit/ds/symlink/ucc28109.

[3] PRESSMAN A.開關電源設計[M].王志強，譯.3版.北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[4] 喻壽益，楊柳，陳寧，等.Boost型電路雙閉環(huán)功率因數(shù)校正控制策略[J].控制工程，2013，20（1）：18?21.

[5] 滿紅，梁迎春，冀勇鋼.自動控制原理[M].北京：清華大學出版社，2011.

[6] 雷丹，趙金，何為.一種非隔離型高功率因數(shù)開關電源的研制[J].電氣技術，2011，30（16）：56?58.

[7] 趙勝.基于有源功率因數(shù)校正的計算機開關電源設計[J].電源技術，2013，37（4）：633?634.

[8] 程良濤，李輝.一種高功率因數(shù)PFC的研制[J].電源技術，2010，34（10）：1068?1071.

[9] 朱建渠，謝東，王峰.開關電源整流功率因數(shù)校正的研究[J].電源技術，2012，36（8）：1178?1180.

[10] 張厚升.一種單相高功率因數(shù)整流器的設計[J].低壓電器，2010（18）：26?30.