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1、3854中文资料UC3854 控制之功率因子修正器电路设计PHILIP C. TODD摘要这个应用手册说明功率因子修正的概念与它的升压型前端调节器的设计。本手册包含了功率因子修正的重要规格、升压型转换器的功率电路设计与控制此一转换器的UC3854 集成电路说明。本文将提供完整的设计过程，同时说明了设计过程中所必须进行的斟酌与考虑。本文所提到的设计流程适用于UC3854A/B 以及UC3854。您可以参考Unitrod 公司所出品的设计手册DN-39 以了解某些本文未提到的主题。虽然本文没有讨论到这些部分，但是在进行设计时还是必须考虑这些部分的。本篇应用手册是用以作为取代应用手册U-125 使用

2、UC3854 的功率因子修正器之用。前言主动式功因修正器的主要功能就是使电源供应器的输入功因修正为1.0，即使得电源供应器把功因修正器的输入端视为一个电阻。而主动式功因修正器主要是利用电流的响应随着电压的变化而跟着增大与减小的方式来完成这个功能。当电压与电流间的变动比为一个定值时，输入端将呈现电阻性且此时的功率因子将达到1.0。若这个变动比不再是一个定值，则输入的波形将会产生相位差或谐波失真，而这些变化将会降低功率因子。一般对功率因子的定义是实功率与视在功率间的比例，即PF是输入功率的实功率，Vrms 与Irms 是负载的电压与电流均方根值，也就是文中所提到的功因修正器输入电压与电流均方根值。

3、若负载是一个纯电阻，则实功率与电压电流均方根值的乘积将会是相同的，且此时的功率将会是1.0；若负载不是一个纯电阻，则功因将会低于1.0。相移量的大小主要是反应了主动式功因修正器的输入电抗大小，任何像是电感或电容的电抗皆会造成输入电流相对于输入电压的相位改变。电压电流间的相位差也是一种功率因子典型的定义，即功率因子等于电压与电流相角差的余弦函数电压与电流间的相角差也反映出虚功率的大小。如果负载的电抗只占负载阻抗的一小部份，则相位差将会很小。当输入端因前馈信号或控制回路造成相移时，主动式功因修正器可对输入电流产生一个相位修正的效果。此外，交流侧的线电流滤波器也可能会造成相位移。谐波失真率反映出主动

4、式功因修正器输入阻抗中的非线性成分。任何输入阻抗的变动（以输入电压的函数呈现）将会造成输入电流的谐波失真，而此谐波失真也是造低功率因子的原因之一。谐波失真将会造成输入电流均方根值的增加，但不会增加输入的功率。也因此一个非线性的负载将会造成不好的功率因子，其原因是系统需要输入较高的电流但总输出功率却很低。如果非线性的成分较小的话，则谐波失真也会相对的减小。主动式功因修正器的失真主要有几个生成的原因：前馈信号、回授控制的闭回路、输出电容、系统电感及输入的桥式整流器。个主动式功因修正器可以轻易的达到一个很高的功率因子，一般而言皆远高于0.9 以上。但功率因子不会随着谐波失真或电流波型的改变而有明显的

5、变化，所以比直接观察功率因子的大小更方便的方法，是利用下列几个数值来考虑。例如：3%的谐波失真其功因为0.999；30%谐波失真的电流其功因仍有0.95；与电压相差25 度的电流其功因为0.90。以目前的趋势来说，负责电力质量的全球性标准组织多以详细列出输入线电流上每一个频段的最大容忍谐波量的方式来制订标准。IEC 555-2 订定了15 次谐波之前的每一个谐波与15 次之后的总谐波相对的电流谐波容许量。表一列出了在本文完成时， IEC 555-2 所列出的谐波需求。该标准包含了两个部份的规范：相对的电流谐波量以及总谐波量的绝对最大值，这两个限制都适用于所有的设备。这个表主要是拿来作线间谐波失

6、真规范的例子，尚无法作为设计时的规格参考。这是因为IEC 在目前尚也未提出IEC 555 的最后版本，因此此一标准仍可能会有大幅度的修改。主动式功因修正对于一个主动式功因修正器的功率级电路而言，升压型调节器是一个极佳的选择，其主要的原因是此架构的输入电流是连续的，也因此它产生较低的传导性干扰与最好的输入电流波形。然而升压型调节器的缺点就是它的输出需要是一个高电压，也就是输出电压需要高于输入的预期峰值电压。应用在主动式功因修正用途上的升压型调节器其输入电流波形必须与输入电压波形成正比。因此必须使用回授控制来达到此一目的，可以采用的方法包括峰值电流模式控制法或者是平均电流模式控制法等。这两种控制技

7、术都可利用UC3854来实现。峰值电流模式控制法在电流回授响应上的低增益与高频宽的特性使这种控制法不适用于高性能的主动式功因修正器，因为此方法的电流命令与实际电流间的误差较大。此一现象也将会造成谐波失真与较差的功率因子。平均电流模式控制法主要是利用一个简单的概念，就是在升压型调节器功率电路上再外加一个由放大器电路构成的回授回路，也因此输入电流将会以微小的误差量追随着电流命令而变化。以上就是平均电流控制法的优点，也是为什么能改善功率因子的原因。平均电流模式相对来讲是比较容易实现的，这也是本文所要描述的方法。图1图3图1 所示为升压型功率因子修正器的电路方块图，升压型功率因子修正器的功率电路部份是

8、与直流/直流升压型转换器是相同的。在电感之前有一个桥式整流电路对交流输入电压进行整流，但交流转直流用的大型输入电容已被移到升压型转换器的输出侧。在某些电路中桥式整流电路后会接上一个电容值较小的电容，此电容主要是作为抑制噪声用。升压型调节器的输出电压为一定值，但它的输入电流则呈现半个弦波的形式。流入输出电容器的功率不是一个定值，它是以输入电压的两倍频率变化，其瞬间的功率为电容的瞬时电压乘以流入电容的瞬时电流。如图2 所示，最上方的波形为输入功率因子修正器的电压与电流，第二个波形则为流入与流出输出电容的能量。当输入电压高于输出电容的电压时，电容是处于储能的状态；当输入电压低于输出电容的电压时，电容

9、是处于放能的状态。第三个波形是电容的充电电流与放电电流，此电流波形与输入电流波形有着不同的形状，且其频率它几乎是在输入电压的二次谐波上。此一能量的流动将会造成二次谐波形式的电压涟波，如图2 中之第四个波形所示。要注意的是，这个电压涟波与电流波形相差为90 度，所以这是虚功形式的储能。在考虑输出电容的额定值时必须将处理二次谐波涟波电流以及处理升压型转换器功率开关在调变时所造成的高频涟波电流的能力考虑进去。控制电路主动式功率因子修正器必须同时控制输入电流与输出电压，而电流控制回路的命令是由整流后的线电压所决定，因此可以使转换器的输入阻抗呈现电阻性。而输出电压的控制是藉由改变电流命令的平均值大小来完

10、成。模拟的乘法器将整流后的线电压乘以电压误差放大器的输出后，产生一个电流控制命令。也因此电流的控制命令与输入电压的形状相同，同时其平均值代表输出电压的控制命令大小。图3 所示为一个主动式功率因子修正器所需要的基本控制器电路方块图。输出电流乘法器的输出称之为Imo，而这个乘法器的输出即为输入电流的控制命令。在图3 中，乘法器的输入端（输入电压整流后的电压）是以电流的方式表示的，因为这就是UC3854 的动作原理。除了乘法器之外，在图3 中还包括了平方器与除法器，这些电路主要的功能是将电压误差放大器的输出除以输入电压的平均值取平方后的数值，最后得到的值再乘以整流后的电压信号。这个外加的电路将可使电

11、压回路的增益维持一个定值，没有它的话电压回路增益将会是平均输入电压的平方倍。输入电压的平均值称之为前馈电压信号或是Vff，而当它被前馈到电压回路增益时，此一数值提供了一个开回路的修正量，且这个值是需要取平方后用来作为电压误差放大器输出电压信号Vvea 的除数电流的控制信号必须尽可能地接近整流后的线电压信号以提升功率因子，如果电压回路的频宽太大，则此控制回路将会调节输入电流以达成输出电压的恒定，但这样会使得输入电流的波形严重失真。因此电压回路的频宽必须小于输入线电压的频率。但是电压回路的瞬时响应又必须要很快，所以电压回路的频宽又需要尽可能地大。平方器与除法器所构成的电路将可使回路的增益维持定值，

12、所以控制器频宽就可以尽可能地靠近输入线电压的频率以降低输出电压的瞬时变化。当电压输入变动范围大时，这个问题更形重要。这个使回路增益维持定值的电路让电压误差放大器的输出变成一种功率的控制，电压误差放大器的输出就可直接控制传送到负载的功率大小，从以下的例子就可以轻易地看到这个现象。如果电压误差放大器的输出是一个定值，而输入的电压变成两倍，则控制命令将会变成两倍，但这个命令值将会除以前馈电压信号的平方，也就是除以四倍的输入电压信号，而其结果将会使输入电流变成原先值的一半。输入电压变成两倍时，输入电流变为原值的一半则可维持与原输入功率相同的功率。因此，电压误差放大器的输出即可用来控制功率因子修正器的输

13、入功率等级，此种控制法可用来限制系统从电源得到的最大的功率。如果将电压误差放大器的输出限制在某些值（即对应到某些最大输入功率等级的值），则当输入电压在正常操作范围内时主动式功率因子修正器将不会从电力线吸取超过这个最大值的功率。输入的失真源控制电路会将谐波失真与相移导入输入电流波形，产生这些误差的原因包括输入端的桥式整流器、乘法电路的输出与以及输出与前馈电压中的涟波等。在主动式功率因子修正器中有两个调变过程，首先是输入端的桥式整流的影响，再则是乘法电路、除法电路与平方电路所造成的影响。每一个调变过程都会产生两个输入端间乘积、谐波或边频(sideband)的影响，且这些过程在数学上的表示式都相当地

14、复杂。然而有趣的是，虽然这两种调变会互相的影响，但却可相互的解调，所以它的解是相当简单的。就如同之前所描述，在主动式功率因子修正器中的涟波电压皆是线电压频率的二次谐波。当这些电压经过乘法转换电路后，所得的信号将转换成输入电流的控制命令，输入电流再经过输入端整流二极管后，二次谐波电压的大小值将会产生两种不同频率的成分。这两项成分分别为输入线电压频率的三次谐波成分以及基本波成分。且这两个成分的电压大小值为原来二次谐波电压大小值的一半，其相位则与原先二次谐波的相位相同。如果这个涟波电压大小值为输入线电压大小值的10%且相位位移90 度的话，则输入电流将会产生一个相移为90 度，大小为基本波5%的三次

15、谐波再加上一个相移也是90度，大小为基本波5%的一次谐波。前馈电压是将交流的电压整流后所得的电压，而这个电压有一个二次谐波的成分，且这个成分的大小值为平均输入电压大小值的66%。前馈电压除法器的滤波电容大大地衰减了二次谐波，且有效地消除了较高频的谐波，因此前馈的输入端仅会存有少量的二次谐波。如图3 所示，这个前馈电压将会被送到平方电路中。由于此一涟波具有相当高的直流成分，因此涟波的大小值会被变成两倍。除法器对涟波的成分没有影响，因此此一涟波会直接出现在乘法器的输入端，最后变成输入电流的三次谐波失真与相移。平方电路将信号转换成两倍的动作反应出输入电流谐波失真量（以百分比表示）与前馈输入端涟波电压

16、的量（以百分比表示）是相同的。很明显地，前馈的涟波电压必须相当小如此输入电流的失真才会降低。涟波电压可以利用一个具有单一极点且截止频率非常低的滤波器来加以衰减。然而，由于系统也希望能对输入电压的变化有非常快的响应，因此滤波器的响应时间也不能太久。当然，这两种需求是相违背的，所以必须想出一个折衷的方法。使用一个具有双极点的滤波器可以在涟波衰减量相同的前提下提供较单极点滤波器更快的瞬时响应时间。双极点滤波器的另一个优点是它的相移量是单极点滤波器的两倍。而这将导致二次谐波相移180 度，且使得所产生的三次谐波与输入电流的相移量变得与输入电压相同。若前馈电压加一个单极点滤波器，大小为前馈输入3%的二次

17、谐波涟波电压其相移量将会造成0.97 的功率因子。若使用一个双极点的滤波器，则在功率因子上将不会有任何的相移成分，原因是因为它的输出是与输入电流同相位的。由前馈输入端二次谐波所造成的输入电流三次谐波成分，其大小值将会与二次谐波涟波电压一样。若在前馈电压中出现3%的二次谐波，则输入电流也将会含有3%的三次谐波失真。由于涟波电流会流经输出电容，因此输出电压也会含有二次谐波的涟波。此一涟波电压会经由误差放大器接回乘法器电路的输入端，并像前馈电压信号一样其输出结果控制着输入电流，这也会造成输入电流的二次谐波失真。由于这个涟波电压不会经过平方器电路，它所造成的谐波失真大小与相移量将会是涟波电压所造成的一

18、半。为了避免相移，电压误差放大器的输出涟波电压必须与线电压同相位。而电压误差放大器则必须将二次谐波相移90 度以使得其输出与线电压同相位。图4 尖波(Cusp)失真使用平均电流模式控制法的升压型转换器，其电压回路的控制对输出转移函数(control to output transfer function)具有单极点的下降(roll off)特性，因此可用一个平坦增益的误差放大器来进行补偿。虽然这将会产生一个有90 度相位边界(phase margin)的高稳定回路，然而这样还是未达到最佳化的设计。由于输出电容上的涟波电压其相位与输入电流相位相差90 度，因此若误差放大器对于二次谐波频率有平坦的

19、增益，则所造成的输入电流谐波其相位与交流电压整流所得到的电压之相位也将相差90 度。藉由将相移的成份导入电压误差放大器，系统的功率因子将可得到改善。这样将可将功率因子相移的成份移动到与输入电压吻合，并得到功率因子的提升。在必须使电压回路稳定的前提下，可加入的相移量是有限的。如果将相位边界减少到45 度，则二次谐波的相位将会非常接近90 度，这使得失真成分与输入电压同相。由输出涟波电压所造成的输入总失真量决定了电压控制回路的频宽，若输出电容很小但失真量又必须要很小，则控制回路的频宽就必须要低，如此涟波电压就可以藉由误差放大器加以衰减。瞬时响应是回路频宽的函数，低的频宽将会减慢瞬时响应速度，且将造

20、成较大的超越量(overshoot)。所以输出电容必须大到可达成快速的输出瞬时响应与低输入电流失真等目的。设计回路补偿器的技巧就是找出误差放大器中输出涟波电压需要减少的总量，并倒推回增益等于1 时的频率。当相位边界最小时，回路的频宽最高。因此选择45 度的相位边界是一个不错的折衷方法，因为这样可以得到不错的回路稳定度与快速的瞬时响应，并且容易设计。这样设计的电压误差放大器在回路增益等于1的频率之前其增益都是平坦的，在此频率之后则呈单极点的下降斜率。这样的设计可使用一个简单的电路得到线电压频率二次谐波的最大衰减量，并获得最大的频宽与45 度的相位边界。尖波失真当交流侧的输入电压越过零伏特时将会发

21、生所谓的尖波失真，在此时电流命令所需要的电流将会超过可得到的电流变化率。当输入电压很靠近零伏时，于功率晶体关闭的时间将会在电感两端有一个很小的跨压，于是电流将无法快速地建立起来，因此输入电流将会比预计的值还要延迟一段短暂的时间后才出现。当输入电流达到所命令的值之后，控制回路的运作回归正常，输入电流也开始追随命令电流变化。输入电流无法依照命令电流变化的时间长度是电感值的函数。较小的电感值将会有较好的电流响应与较好的失真率，但较小的电感将会造成较高的涟波电流。因尖波失真状况所造成的总谐波失真量一般不大，且几乎都是较高次的谐波，这个问题也可藉由提高切换频率来解决。UC3854 功能方块图图5 为UC

22、3854 的功能方块图，此图与IC 数据手册中的附图相同。这个IC 的内部包含了控制一个功率因子修正器所需的电路。UC3854 是以平均电流模式控制法实现的，但它也具有极高的灵活度以配合各种不同功率电路架构与控制方法使用。图5 的左上角包含了一个低电压锁定比较器与它的致能比较器，这两个比较器的输出必须同为1 才能使这个IC 正常工作。电压误差放大器的反向输入端连接到IC的第11 脚且叫做Vsens。电压误差放大器旁的二极管主要是用来描述内部电路的特性而并非一个实际的组件。在方块图中的二极管皆为理想二极管，在正常操作时，到电压误差放大器非反向输入端被接到7.5 伏特的参考电压，但此一电压也被用来

23、做为软启动功能使用。这样的电路组态使得在输出电压达到它的操作点前电压回路控制便已开始动作，这可以避免产生启动突波现象（突波可能会损坏电源供应器）。在误差放大器的反向输入端与IC 第11 脚间的二极管也是一个理想二极管，因此并不会造成反向输入端与参考电压间的压降。此一二极管在实际的IC 中是利用一个差动放大器来完成的。IC 内部同时提供了一个可对软启动计时电容器充电的电流源。电压误差放大器的输出Vvea 接到UC3854 的第7 接脚，这个信号也是乘法器的输入。输入乘法器的另一个信号是来自第六支接脚的Iac，这个输入信号是来自输入整流器的斜率控制命令。这支接脚将保持在6 伏特，且是电流形式的输入

24、信号。接脚8 是前馈的输入端Vff，且这个值在馈入到乘法器除法输入端之前将会被先取其平方值。从第12 脚输入的Iset 电流也被用在乘法器上以限制最大的输出电流。由乘法输出的电流为Imo，它将从IC 的第5 脚流出且同时被接到电流误差放大器的非反向输入端。电流误差放大器的反向输入端被接到IC 的第4 脚，也就是Isens 接脚。而电流误差放大器的输出将连接到调变脉宽的比较器，且这个值将与来自第14 脚的震荡斜率做比较。这个震荡器与比较器控制着S-R 正反器的触发信号并藉以控制着第16 脚的高电流输出。UC3854输出电压在IC 内部已被箝制在15 伏特，所以功率晶体管将不会被过驱动。IC 的第

25、2 脚提供了突波电流的过电流保护，当这支接脚的电位一被拉到负压时，它将马上使得输出的脉波关闭。而IC 的参考电压输出为第9 脚，输入电压则是连接到IC 的第15 脚。设计流程功率电路设计在本例中，我们将使用一250 瓦特的升压型转换器来当作功率电路的设计范例。升压型功率因子修正器的控制电路几乎与功率电路的功率等级无关，一个5000 瓦特的功率因子修正器，其控制器将会与50 瓦特的功率图6修正器几乎一样。虽然功率级电路有所差异，但所有功率因子修正器的电路设计过程将会相同。既然设计过程是相同的，其它等级的功率电路都可以将250 瓦特的修正器当做一个不错的类推范例，它可以类推到更高或较低输入等级的修

26、正器。图6 为一个此一电路的设计电路图，其设计流程说明如下。规格转换器功能的规格制订是设计流程的开始，输入线电压的最小值与最大值、最大的输出功率与输入线电压的频率范围都必须先订定出来。就这个范例电路而言，其规格为：最大输出功率为：250 瓦特输入电压范围：交流80 到270 伏特线电压频率范围：47 到65Hz符合这个定义的电源供应器几乎可适用于世界各地的不同输入电源。升压型调节器之输出电压必须于输入的峰值电压，且建议值是高出最大输入电压5%到10%的电压值，所以输出电压将决定为直流电压400 伏特。功率晶体的切换频率并没有一定的标准。但切换频率必须足够高到让功率电路体积降低并降低失真，同时需

27、低到足以维持效率。在大部分的应用里，切换频率选择在20 KHz 到300KHz 的范围是个不错的折衷选择。在本范例中，转换器的切换频率设定为100KHz，如此可当作兼顾体积与效率的折衷选择。在此频率下，电感的值不需太大，尖波失真也将会被减到最小，电感的体积会变小，由输出二极管所造成的能量损失也不会太高。当转换器操作在较高的功率等级时，较低的切换频率将可降低能量损耗。开关的导通减震电路可用来减少切换损失并使得转换器在高频切换时达到非常高的效率。电感的选择电感将决定在输出侧高频涟波电流的大小，且它的值与涟波电流大小值有关。电感值是以输入侧的交流电流峰值来决定。由于最大的峰值电流出现在线电压等于最小

28、值的位置，其关系式为在此范例中，转换器的输入线电流峰值为4.42 安培，出现在输入为交流80 伏特时。在升压型转换器中最大涟波电流发生在责任周期为50%时，这也意味是在升压比为M=Vo/Vin=2 的时候。电感电流的峰值一般不会发生在这个时候，因为它的峰值是由正弦控制命令的峰值所决定的。电感的涟波电流峰值对于计算输入滤波器所需的衰减量而言是很重要的。圗7 为本范例转换器电感上涟波电流峰对峰值对输入电压的关系图。一般来说，电感上的涟波电流峰对峰值多被设定为最大线电流峰值的20%。这个值在某种程度上只是一项参考用的数值，因为这通常不是高频涟波电流的最大值。较大的涟波电流值将会使得转换器在大部分的线

29、电流整流周期都操作在不连续模式的状况下，这也代表输入滤波器必须变大以衰减更多的高频涟波电流。使用平均电流模式控制法的UC3854 可让升压型转换器的功率电路操作在连续模式与不连续模式底下，且其特性没有丝毫的改变。电感值是由半波整流最低输出电压时的电流峰值、在此电压时的责任周期D 以及切换频率所决定的，其关系式如下：其中I 是指电流涟波峰对峰值。在这250 瓦特的范例电路里，D=0.71、I=900 mA、电感L=0.89 mH。为了方便起见，电感值被四舍五入而以整数1.0 mH 代替。由于高频的涟波电流会被加成到线电流峰值中，所以电感电流的峰值会等于线电流峰值与二分之高频涟波电流峰对峰值的总和

30、。电感必须能够承受此一数值的电流。就本范例而言，电感的峰值电流为5.0 安培，而峰值电流的限制将被设定为比这个值高出10%的5.5安培。输出电容选择输出电容所需考虑的因素包括切换频段的涟波电流大小、涟波电流的二次谐波、输出的直流电压、输出的涟波电压与保持时间。流经输出电容的总电流为切换频段的涟波电流均方根值与线电流的二次谐波均方根值。般常用来当作输出电容的大型电解质电容通常包含一个等效的串联电阻，且此一电阻值会随着频率而变化，一般在越低频时此电阻值越高。电容可负荷的电流量一般是由电容的温升来决定的。一般计算此一电流的方法乃是去计算高频涟波电流与低频涟波电流所造成的温升，然后将它们加总起来即可。

31、一般电容的数据手册里也会提供必要的等效串联阻抗(ESR)与温升效应的信息。在选择输出电容时，输出电压维持时间的要求常常都是最重要的考虑因素。维持时间指的是当输入能量截止时，输出电压仍可维持在某个特定范围的时间长度，典型的维持时间为15 到50 毫秒。在400 瓦特输出的离线式电源供应器中，通常需要每瓦特输出1 到2微法拉的电容来达到维持时间的需求，因此在这个250瓦特输出的范例里输出电容将为450 微法拉。若不要求维持时间的长短，则输出电容值将会很小，小到每瓦特输出需要0.2 微法拉的电容，而涟波电流与涟波电压将成为主要考虑的目标。维持时间的长短是输出电容所储存能量、负载所需的能量大小以及输出

32、电压与负载操作的最低电压等因素的函数。电容的维持时间与前述各因素的关系式如下式所述：在本式中， Co 是输出电容、Pout 是负载所需的功率、t 是维持时间、Vo 是输出电压、Vo(min)是负载可操作的最低电压。对本范例转换器而言，Pout 为250 瓦特、t 为64 毫秒、Vo 是400 伏特、Vo(min)是300 伏特，所以输出电容值为450 微法拉。功率开关与二极管功率开关与二极管的等级必须确保系统的可靠度。选择这两个组件之等级的方法已经超过本应用指引的讨论范围。一般来说，功率开关的电流额定值必须至少大于电感上的最大峰值电流，其电压额定值则必须大于输出电压。对于输出二极管而言，这个条件也是相同的。输出二极管的响应必须要非常快速以减少切换时造成的损失，并使损失下降。功率开关与二极管必须有相同等级的降额定值(derating)，此一需求会随应用场合而有所不同。在这个范例电路中，二极管是属于快速高压形式的二极管，反向恢复时间35 毫微秒、耐压600 伏特、顺向导通电流8 安培。在这个范例电路中的功率晶体管，其耐压为直流500 伏特，电流额定为23 安培。在功率开关上的损失主要是来自二极管截止时的流通电流。当开关导通但二极