大工20春《电源技术》大作业参考答案.docx

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大工20春《电源技术》大作业参考答案

大连理工大学电源技术大作业

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功率因数校正（PFC）技术的研究

随着减小谐波标准的广泛应用，更多的电源设计结合了功率因数校正（PFC）功能。

设计人员面对着实现适当的PFC段，并同时满足其它高效能标准的要求及客户预期成本的艰巨任务。

许多新型PFC拓扑和元件选择的涌现，有助设计人员优化其特定应用要求的设计。

。

1ICUC3854的内部结构及工作原理

功率因数是衡量电器设备性能的一项重要指标。

功率因数低的电器设备，不仅不利于电网传输功率的充分利用，而且往往这些电器设备的输入电流谐波含量较高，实践证明，较高的谐波会沿输电线路产生传导干扰和辐射干扰，影响其它用电设备的安全经济运行。

如对发电机和变压器产生附加功率损耗，对继电器、自动保护装置、电子计算机及通讯设备产生干扰而造成误动作或计算误差。

因此。

防止和减小电流谐波对电网的污染，抑制电磁干扰，已成为全球性普遍关注的问题。

国际电工委与之相关的电磁兼容法规对电器设备的各次谐波都做出了限制性的要求，世界各国尤其是发达国家已开始实施这一标准。

1.1功率因数校正基本原理 

功率因数指的是有效功率与总耗电量（视在功率）之间的关系，也就是有效功率除以总耗电量（视在功率）的比值。

基本上功率因数可以衡量电力被有效利用的程度， 当功率因数值越大，代表其电力利用率越高。

开关电源供应器上的功率因数校正器的运作原理是去控制调整交流电电流输入的时间与波型，使其与直流电电压波型尽可能一致，让功率因数趋近于。

 这对于电力需求量大到某一个水准的电子设备而言是很重要的, 否则电力设备系统消耗的电力可能超出其规格，极可能干扰铜系统的其它电子设备。

PFC的英文全称为“Power Factor Correction”，意思是“功率因数校正”，功率因数指的是有效功率与总耗电量（视在功率）之间的关系，也就是有效功率除以总耗电量（视在功率）的比值。

基本上功率因素可以衡量电力被有效利用的程度，当功率因素值越大，代表其电力利用率越高。

计算机开关电源是一种电容输入型电路，其电流和电压之间的相位差会造成交换功率的损失，此时便需要PFC电路提高功率因数。

目前的PFC有两种，一种为被动式PFC（也称无源PFC）和主动式PFC（也称有源式PFC）。

。

表1列出了ICUC3854各主要功能模块的关键特性

参数

测试条件

典型值

单位

电压误差放大器

Vsense偏置电流

－25

nA

开环增益

100

dB

输出电压摆幅

0.8～5.8

V

短路电流

VAOut=0

－20

mA

电流误差放大器

Isense偏置

－120

nA

开环增益

110

dB

输出电压摆幅

0.5～16

V

短路电流

－20

mA

增益带宽积

800

kHz

乘法器

最大输出电流

－200

μA

增益因子

－1.0

振荡器

振荡频率

RSET=8.2k

102

kHz

斜坡幅度

5.5

V

输出驱动

输出高电压

200mAloadonGTDrv,VCC=15V

12.8

V

输出低电压

200mAloadonGTDrv

1.0

V

图2电压误差放大器原理示意图

图3电压误差放大器宏模型示意图

表2UC3854管脚说明

管脚序号

管脚符号

管脚说明

1

Gnd

接地端，器件内部电压均以此电压为基准

2

PK1MT

峰值限定端，其阈值电压为零伏与芯片外电流传感电阻负端相连，有可与芯片内接基准电压的电阻相连，使峰值电流比较器反向端电位补偿至零

3

CAOut

电流误差放大器的输出端，对输入总线电流进行传感，并向脉宽调制器发送电流校正信号的宽带运放输出

4

Isense

电流传感信号接至电流放大器反向输入端，4脚电压应高于－0.5伏（因采用二极管对地保护）

5

MultOut

乘法放大器的输出和电流误差放大器的正向输入端

6

IAC

乘法器前馈交流输入端，与B端相连，6脚的设定电压为6伏，通过外接电阻与整流桥输出工频总线相连，并用电阻与芯片内基准相连

7

VAOut

误差电压放大器的输出电压，这个信号又与乘法器A端相连，但若低于1伏乘法器便无输出

8

VRMS

前馈总线电压有效值端，与跟输入线电压有效值正比的电阻相连时，可对线电压的变化进行补偿

9

VREF

基准电压输出端，可对周边电路提供10mA的驱动电流

10

ENA

允许比较器输入端，不用时与＋5伏电压相连

11

VSENSE

电压误差放大器反向输入端，在芯片外与反馈网络相连，或通过分压网络与功率因子较正器输出相连

12

RSET

12脚信号与地接入不同的电阻，用来调节振荡器的输出和乘法器的最大输出

13

SS

软起动端，与误差电压放大器同相端相连

14

CT

接对地电容器CT，作为振荡器定时电容

15

VCC

正电源阈值为10V～16V

16

GTDrv

PWM信号的图腾输出端，外接MOSFET管的栅极，该端电压箝位在15V

它们的基本结构类似，其差别在于电流误差放大器对电流控制电路有特殊要求，其增益和带宽要大于电压误差放大器。

因此我们这里只给出电压误差放大器的宏模型示意图，图2为电压误差放大器的原理图，图3为其相应的宏模型示意图。

　　在图2中，运放的正向输入端连接传感电压，反向输入端连接到基准电压，运放的输出经过三极管与6.2k的电阻构成射极跟随引出。

　　在图3中，RI和CI决定了电压误差放大器的输入阻抗，电压控制电流源G1以及电容CI决定了电压误差放大器的增益带宽积，通过二极管VD2和VD3以有源功率因数校正

图4乘法器宏模型示意图

图5振荡器宏模型示意图

图6输出驱动模块宏模型示意图

图7包含UC3854的功率因数校正电路图

乘法器的模型构建在整个集成电路的建模中非常重要，图4给出了其宏模型的具体实现。

该乘法器有三个输入：

电压误差放大器的输出（EAOUT），输入AC电流（IAC），URMS输入。

其中，IAC端输入的是电流信号，而它的采样是功率级的输入电压，这可以用一个6V的电压源UIAC来进行电压信号/电流信号的转换。

1.2   功率因数的限制因数

为什么在一般的电路中功率因数较低呢？

有很多因数的影响。

其中影响功率因数的主要原因是这些电器的整流电源普遍采用的电容滤波型桥式整流电路（图1）。

这种电路的基本工作过程是：

在交流输入电压的正半周，D1、D3导通，交流电压通过Dl、D3对滤波电容C充电，若Dl、D3的正向电阻用r表示，交流电源内阻用R表示. 

2有源功率因数校正的实现

下面以常见的美国TI公司生产的APFC用集成电路UC3854介绍其性能特点、工作原理与典型应用电路。

2.1UC3854控制集成电路

UC3854引脚功能说明（参见图3、图4）。

UC3854引脚功能如表1所示。

表1UC3854的引脚（端）功能

引脚号

引脚符号

引脚功能

（1）

GND

接地端，器件内部电压均以此端电压为基准

（2）

PKLMT

峰值限定端，其阈值电压为零伏与芯片外检测电阻负端相连，可与芯片内接基准电压的电阻相连，使峰值电流比较器反向端电位补偿至零

（3）

CAout

电流误差放大器输出端，对输入总线电流进行检测，并向脉冲宽度调制器发出电流校正信号的宽带运放输出

（4）

Isense

电流检测信号接至电流放大器反向输入端，（4）引脚电压应高于-0.5V（因采用二极管对地保护）

（5）

Multout

乘法放大器的输出和电流误差放大器的同相输入端

（6）

IAC

乘法器的前馈交流输入端，与B端相连，（6）引脚的设定电压为6V，通过外接电阻与整

（7）

VAout

误差电压大器的输出电压，这个信号又与乘法器A端相连，但若低于1V乘法器便无输出

（8）

VRMS

前馈总线有效值电压端，与跟输入线电压有效值成正比的电阻相连时，可对线电压的变化进行补偿

（9）

VREF

基准电压输出端，可对外围电路供10mA的驱动电流

（10）

ENA

允许比较器输入端，不用时与+5V电压相连

（11）

V检测

大器反相输入端，在芯片外与反馈络相连，或通过分压网络与功率因数校正器输出端相连

（12）

Rset

（12）端信号与地接入不同的电阻，用来调节振荡器的输出和乘法器的最大输出

（13）

SS

软启动端，与误差放大器同相端相连

（14）

CT

接对地电容器CT，作为振荡器的定时电容

（15）

Vcc

正电源阈值为10V～16V

（16）

GTDRV

PWM信号的图腾输出端，外接MOSFET管的栅极，该电压被钳位在15V

2．2UC3854中的前馈作用

UC3854的电路框图和内部工作框图如图2、图3所示。

在APFC电路中，整流桥后面的滤波电容器移到了整个电路的输出端（见图2、图4中的电解电容C），这是因为Vin应保持半正弦的波形，而Vout需要保持稳定。

从图3所示的UC3854工作框图中可以看到，它有一个乘法器和除法器，它的输出为

，而C为前馈电压VS的平方，之所以要除C是为了保证在高功率因数的条件下，使APFC的输入功率Pi不随输入电压Vin的变化而变化。

工作原理分析、推导如下：

乘法器的输出为

式中：

Km表示乘法器的增益因子。

Kin表示输入脉动电压缩小的比例因子。

电流控制环按照Vin和电流检测电阻Ro（参见图2）建立了Iin。

i表示Vin的衰减倍数

将式（3）代入式（4）后有

如果PF=1效率η=1有

由（6）可知：

当Ve固定时，Pi、Po将随V2in的变化而变化。

而如果利用除法器，将Vin除以一个

可见在保证提高功率因数的前提下，Ve恒定情况下，Pi、Po不随Vin的变化而变化。

即通过输入电压前馈技术和乘法器、除法器后，可以使控制电路的环路增益不受输入电压Vin变化的影响，容易实现

全输入电压范围内的正常工作，并可使整个电路具有良好的动态响应和负载调整特性。

在实际应用中需要加以注意：

前馈电压中任何100Hz纹波进入乘法器都会和电压误差放大器中的纹波叠加在一起，不但会增加波形失真，而且还会影响功率因数的提高。

前馈电压中前馈电容Cf（图2、图4中的Cf）的取值大小也会影响功率因数。

如果Cf太小，则功率因数会降低，而Cf过大，前馈延迟又较大。

当电网电压变化剧烈时，会造成输出电压过冲或欠冲，所以Cf的取值应折中考虑。

UC3854的典型应用电路原理图如图4所示。

图4UC3854典型应用电路原理图

通过以上的讨论可以看出，由在APFC控制过程中，UC3854引入了前馈和乘法器、除法器，并且工作于平均电流的电流连续（CCM）工作方式，性能较优，使用效果较好，在实用中得到了广泛应用。