黃 峰，張正清

（湖南工程學院 電氣信息學院，湘潭 411104）

0 引 言

開關(guān)電源是一種電壓轉(zhuǎn)換電路，其主要功能是升壓和降壓，具有體積小、效率高等優(yōu)點，在電子產(chǎn)品中得到廣泛應用.開關(guān)電源的控制電路比較復雜.輸出紋波電壓較高，且開關(guān)電源中的調(diào)整管工作于開關(guān)狀態(tài)，存在開關(guān)損耗.因此，有必要降低電源電路的損耗［1］.

現(xiàn)代的PFC技術(shù)不同于功率因數(shù)補償，它針對非正弦電流波形畸.交流線路電流跟蹤電壓波形瞬時變化軌跡，電流和電壓保持同相位，系統(tǒng)呈純阻性.

本文利用TI公司UCC28070［2］設計了一款功率為1500W 的交錯式 PFC電源［3－4］.UCC28070是先進的功率因素修正器件，集成了兩個工作在180°反相的交錯式PWM.這種PWM交錯工作能降低輸入和輸出紋波電流，使得導電EMI濾波變得更加容易，成本更低.測試數(shù)據(jù)表明，與傳統(tǒng)控制模式相比，系統(tǒng)顯著增強了PF、效率、總諧波失真等性能.

1 UCC28070和控制電路原理

UCC28070是首款單芯片交錯式功率因數(shù)校正（PFC）控制電路，可滿足千瓦級通信、服務器與工業(yè)系統(tǒng)的要求.新型UCC28070雙相平均電流模式控制器可簡化電源設計，提高系統(tǒng)可靠性，實現(xiàn)超過0.9的額定功率因數(shù)，從而提高了節(jié)能性能.

UCC28070采用獨特的180°交錯技術(shù)，有助于提高系統(tǒng)可靠性，降低輸入與輸出電流紋波，通過電磁分配改進熱管理水平.與目前常見的非交錯式PFC架構(gòu)相比，平均電流模式交錯技術(shù)能使紋波減少50%～100%.

在工作時，UCC28070的PFC部分由電流環(huán)和電壓環(huán)進行雙環(huán)控制.UCC28070的PFC控制器主要包含有電壓誤差放大器（VA）、乘法器（Mult）、電流誤差放大器（CA1、CA2）等電路.PWM部分主要包括振蕩器、PWM比較器 （A相PWM比較器、B相PWM比較器）、RS觸發(fā)器和驅(qū)動器等單元電路.

PFC控制電路的原理圖如圖1所示.它是以UCC28070為核心的控制電路，兩路電流檢測以及輸出兩路相位相差180°的驅(qū)動信號來驅(qū)動功率管的導通與關(guān)斷.

圖1 PFC控制原理圖

2 參數(shù)計算及選型

（1）主電路參數(shù)設計

①BOOST電感計算

輸入交流電壓230VAC±15%，頻率50±2.5Hz，輸出直流總線電壓400VDC，額定輸出功率1500W，輸入功率因數(shù)PF≥0.99，總電流諧波失真度THD≤5%，效率≥0.95.

BOOST級的輸出電壓應當高于輸入最高電壓的峰值.輸入電壓220V，50Hz交流電，變化范圍是額定值的15%（Δ＝15），最高峰值電壓為374V.最小輸入電壓的有效值為195.5V.輸出電壓可以選擇390～410V.

電感應當在最大電流時避免飽和.最大交流輸入電流發(fā)生在輸入電壓最低，同時輸出功率最大時有Iimax＝4.04A.

工作頻率由功率器件，效率和功率等級等因素決定.開關(guān)頻率設為75kHz.

如果Uo選取較低，在最高輸入電壓峰值時對應的占空度非常小，由于功率開關(guān)開關(guān)時間限制（否則降低開關(guān)頻率），可能輸入電流不能跟蹤輸入電壓，造成輸入電流THD加大.因此為保證電流連續(xù)，BOOST電感應當大于：

②輸出電容

通過外接輸出電容來穩(wěn)定輸出的同時，減少紋波電壓.選擇三個耐壓值為450V，電容量為330μF的電容并聯(lián)COUT＝990μF.輸出紋波電壓的峰－峰值VRIPPLE為

③功率管及續(xù)流二極管的電流計算

BOOST電路續(xù)流二極管的平均電流ID為1.875A.選擇型號為CSD10060的SiC二極管，為了減少二極管的反向電流，降低反向電流對檢流電路的影響，使占空比能夠更大.通過MOS管的峰值電流（IPEAK）為8.64A.

（2）電流互感器的選擇

①電流互感器的選擇

主要根據(jù)峰值電流來計算，一般選擇使檢流電阻上的最大電流不超過100mA.實際選擇NCT＝80.確定型號為L1222的電流互感器，它的原副邊匝數(shù)比為1∶80，電感量為3mH.

②檢流電阻的計算與選擇

根據(jù)峰值電流的限制信號VS，主路電流通過電流互感器耦合到檢測電路，在通過RS轉(zhuǎn)換為電壓信號，一般留有10%的占空比調(diào)節(jié)余量，使電路輕載時不受影響.考慮電阻工作時的額定功率，選擇3個100Ω的電阻并聯(lián).RS＝33.3Ω.復位電阻RR選擇標準值為680Ω的電阻.電流互感器矯正二極管選擇肖特基二極管SSCD110S，它的反向擊穿電壓為100V，正向?qū)▔航禐?.85V.

（3）輸入欠壓保護電路設計

運放輸出高電平為Uo，低電平為0，運放正端輸入電壓值為UREF.根據(jù)運放的虛短原理和疊加定理，確定正端分壓電阻的取值.定運放供電電壓為6V，根據(jù)LM2904運放特性，輸出高電平為4.5V.設達到開啟電壓時，運放負端的輸入電壓為UON.達到關(guān)斷電壓時，運放負端的輸入電壓為UOFF.開啟電壓設為190V開機，UON＝2.13V，UOFF＝1.79V.

（4）UCC28070參數(shù)設定

①工作頻率選擇及最大占空比鉗位

UCC28070內(nèi)部有時鐘晶振，通過改變電阻RRT的阻值，來調(diào)節(jié)芯片的工作頻率.這里設計的工作頻率為75kHz，選擇標準值為100kΩ的電阻.

UCC28070不僅可以改變工作頻率，同樣，可以通過改變電阻RDMX的阻值，確定想要的最大占空比，這里設計選擇的最大占空比為0.95，確定電阻RDMX的阻值.選擇標準值為91kΩ的電阻.

②輸出電壓調(diào)節(jié)

電阻RA通過控制基準的大小來減少最低誤差，構(gòu)建電阻RA一般用兩個或兩個以上的電阻串聯(lián)來滿足高電壓的需要.而RB則用于調(diào)節(jié)輸出電壓的范圍VOUT.這里RA取3MΩ ，則RB為23.3 kΩ.選擇標準值為36kΩ與68kΩ的電阻并聯(lián)，并聯(lián)后電阻為RB＝23.5kΩ.

輸出電壓通過分壓電阻網(wǎng)絡RA和RB采樣給VSENSE管腳，而且UCC28070通過內(nèi)部門檻電壓設置過壓保護電路閾值.VOVP＝409V.

③峰值電流限制

UCC28070有一個可以調(diào)節(jié)設置的峰值電流限制電路.它通過選擇定值電阻RPK1，在計算需要的電阻RPK2，這里根據(jù)選擇的電流互感器及檢流電阻的參數(shù).選擇峰值電壓為3.7V，所以RPK2為5.9kΩ.

④電壓環(huán)路補償

BOOST拓撲電路，其電感等效于一個電流源.該模型的小信號傳遞函數(shù)如下：

傳遞函數(shù)包括一個一階微分環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié).一階微分環(huán)節(jié)由電解電容Ce及其寄生電阻Resr引起，產(chǎn)生一個ESR零點.

為了使設計的系統(tǒng)保持穩(wěn)定，采用Ⅱ型補償網(wǎng)絡的零極點來補償電容跟寄生電阻和負載電阻產(chǎn)生的零點和極點.Ⅱ型補償電路的小信號傳遞函數(shù)如下：

具有一個零點、一個極點和一個初始極點.零點由電阻R2和電容C1構(gòu)成，R1＝3MΩ，R2＝6.8kΩ，C1＝220pF，C2＝10000pF.求得：

3 UCC28070電路調(diào)試

設計測試電路，通過電阻網(wǎng)絡，分壓給管腳VSENSE，提供電壓采樣信號，在不上強電的情況下，測試驅(qū)動是否正常，操作步驟如下：

（1）外部用電阻網(wǎng)絡，外接5V電源，通過分壓得到一個大小為1～3V的電壓，VSENSE管腳提供一個模擬信號，幫助芯片啟動工作.

（2）關(guān)掉輸入電壓，通過輔助電源，給芯片提供＋12.5V的直流電，通過設置示波器到標準模式，到觸發(fā)狀態(tài)，捕捉MOS管上的驅(qū)動信號，波形如圖2所示.

（3）關(guān)掉輔助電源，將捕捉的波形展開，觀察驅(qū)動波的頻率是否為設置的75kHz，最大占空比是否超過設置的95.5%.

欠壓保護電路調(diào)試.利用帶有回差的比較器，控制芯片工作狀態(tài).通過改變輸出電壓，觀察芯片的工作指示燈狀態(tài).過程如下：

（1）按照原理圖接線，其中輸入電壓這里接到調(diào)壓器的輸出端.由于只是測試是否欠壓保護，所以選擇半載測試.

（2）通過旋轉(zhuǎn)調(diào)壓器的轉(zhuǎn)盤，慢慢的增大輸入電壓，觀察UCC28070的工作狀態(tài)指示燈.當指示燈變暗變亮時，記下此時調(diào)壓器的輸出電壓，看是否與的設計值相符.

當UCC28070工作時，通過反向旋轉(zhuǎn)調(diào)壓器轉(zhuǎn)盤，逐漸減小輸入電壓，觀察UCC28070工作狀態(tài)指示燈，當指示燈由亮變暗時，記下調(diào)壓器的輸出電壓，檢查是否與設計值相符.

帶載調(diào)試.

（1）按照原理圖接線，接負載電阻.接線過程中，應避免線路接錯，用萬用表檢測負載電阻是否為選擇值.

（2）打開輔助電源，在通過調(diào)壓器慢慢增大輸入電壓，看電路是否正常啟機工作，觀察功率因數(shù)是否達到設計的要求.

（3）用萬用表測試輸出電壓的大小，觀察是否穩(wěn)定在設計的400V左右.

（4）在半載正常的前提下，通過切換電阻大小，把電阻切換到100Ω，再觀察功率因數(shù)及輸出電壓的變化，看是否還是穩(wěn)定.

（5）當確定帶滿載穩(wěn)定以后，按照測試報告的要求，測試設計的電路的各項指標.

測試數(shù)據(jù)如表1所示.波形如圖3所示.

表1 測試數(shù)據(jù)結(jié)果

圖3 交錯式驅(qū)動的輸出驅(qū)動波形

4 結(jié) 論

利用UCC28070設計了一款交錯式PFC控制電路.新型交錯式PFC控制電路，不僅減少了諧波分量，提高了功率因素，而且對減少電路損耗，提高系統(tǒng)工作效率有明顯的作用.

［1］王永祥，孫奉婁.基于UCC28070單相雙重并聯(lián)交錯式Boost PFC的設計［J］.電源技術(shù)，2011，35（5）：581－589.

［2］郭 晶.TI推出單芯片交錯式PFC優(yōu)化千瓦級系統(tǒng)節(jié)能特性［J］.世界電子元器件，2008（1）：102.

［3］陳文明，黃如海，謝少軍.交錯并聯(lián)Boost PFC變換器設計［J］.電源學報，2011（4）：63－67.

［4］江劍峰，曹中圣，楊喜軍，等.采用雙環(huán)控制并聯(lián)交錯模擬PFC的研究［J］.電力電子技術(shù)，2011（9）：95－97.