（电路与系统专业论文）双模式有源功率因数校正专用集成电路的设计.pdf

摘舞f 摘要 目前电力电子技术已经成为应用最为广泛和最受关注的技术之一。基于该技 术的开关电源产品，以其效率高、体积小、电路结构简单等特点而得到了人们的 重视并被广泛推广。随着国际电工委员会、中国国家技术监督局( 现改名为中国 国家质量监督检验检疫总局) 对谐波标准的制定和修订，抑制丌关电源产生谐波 已成为开关电源设计的重点任务。抑制丌关电源产生谐波最有效的方法是加入功 率因数校正控制电路。 本论文的设计工作来源于x 单位委托的科研项目“基于b c d 工艺a c d c 关键技术的理论研究与设计”。文中详细介绍了双模式、高功率因数有源功率因数 校正控制器x d 7 9 1 5 的设计过程，包括芯片选型、系统指标的制定、系统功能的 电路实现及仿真验证。该芯片采用升压临界导电型方案，而且省掉了传统电路中 的乘法器电路，大大减小了芯片的面积和电路的复杂程度。该芯片可以工作在传 统固定输出和跟随式升压两种模式，跟随式升压输出减小了输出电压与输入电压 之间的差值，这样可以提高升压效率。本论文所做的研究工作对其它同类芯片的 设计具有一定的参考意义。 本芯片的设计采用u m c 公司的b c d 工艺，即组合了b i p o l a r 、c m o s 和d m o s 的一种工艺。由于目前国内集成电路设计者使用b c d 工艺的不多，设计功率因数 校正控制器芯片的设计师也很少，所以我们的设计工作是种大胆的尝试。目自i 该芯片仅完成电路设计和前仿真部分，版图设计还没有完成。h s p i c e 仿真结果表 明，该芯片的各项指标满足设计要求，典型应用时的功率因数值大于0 9 7 ，具有 很好的功率校正控制性能。 关键词：有源功率因数校正交流一直流转换器双模式b c d 工艺 a b s t f a c t a b s t r a c t r e c e n t l yi ti sr e c o g n i z e dt h a tp o w e re l e c t r o n i c sh a sa l r e a d yb e c o m e o n eo ft h em o s t p o p u l a rt e c h n o l o g y , w h i c hi sp a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt o c h a r a c t e r i s t i c so fh i g h e f f i c i e n c y , s m a l ls i z e 豁w e l l a ss i m p l ec o n f i g u r a t i o n , t h es w i t c h i n gm o d ep o w e r s u p p l y ( s m p s ) b a s e do nt h i st e c h n o l o g yf i n d sw i d e s p r e a da p p l i c a t i o ni n m o r ea n d m o r ef i e l d s a l o n gw i t ht h ec o n s t i t u t i o na n dr e c e n s i o no ft h eh a r m o n i cs t a n d a r db y i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ( i e c ) a n ds t a t eg e n e r a la d m i n i s t r a t i o no f t h ep e o p l e sr e p u b l i co fc h i n af o rq u a l i t ys u p e r v i s i o na n di n s p e c t i o na n dq u a r a n t i n e ( a q s i q ) ，t h es u p p r e s s i o no fh a r m o n i ch a sb e e n t h ek e yt a s ko fs m p sd e s i g n t h em o s t e f f e c t i v em e t h o do fd o i n gt h a ti st oi n t r o d u c ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nt e c h n i q u e t h i sd i s s e r t a t i o ni sb a s e do nt h es c i e n t i f i cr e s e a r c hc o n s i g n e db yx x xc o m p a n y , “t h et h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n dd e s i g no fk e yt e c h n i q u e sf o ra c d cb a s e do nb c d p r o c e s s ad o u b l em o d ea c t i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nc o n t r o l l e ra s i c ，n a m e d x d 7 915 ，i sd e a l tw i t hi nd e t a i li n t h i sp a p e r , i n c l u d i n gt h et o p o l o g ys e l e c t i o n ，t h e d e t e r m i n a t i o no fs y s t e mp a r a m e t e r , a n dt h er e a l i z a t i o no fs y s t e mf u c t i o na sw e l la s s i m u l a t i o nr e s u l t s t h ep r e c e p to fc r i t i c a lc o n d u c t i o nb o o s tm o d ew i t h o u tm u l t i p l i e r w h i c hi su s e di nt h ec o m m o nc i r c u i t si se m p l o y e di nt h i sc h i p ，w h i c hm i n i m i z e st h es i z e o fw h o l ec h i pa n dt h ec o m p l i c a t i o nl e v e lo fc i r c u i t s t h i sc h i pc a nw o r ko nt r a d i t i o n a l c o n s t a n to u t p u tm o d eo r f o l l o w e rb o o s t m o d e t h e f o l l o w e rb o o s t m o d ec a nr e d u c e t h eg a pb e t w e e nt h eo u t p u ta n dt h ei n p u tv o l t a g e st oi m p r o v et h eb o o s te f f i c i e n c y t h e w o r ki nt h i sp a p e rc a nb eo fs i g n i f i c a n c ef o rs o m e w h a tr e f e r e n c et os i m i l a ra s i c t h ed e s i g no fx d 7 915a d o p t st h eb c dp r o c e s so fu m c ，w h i c hc o m b i n a t e st h e b i p o l a r , c m o sa n dd m o s f o rt h ea p p l i c a t i o no fb c dp r o c e s st oi cd e s i g ni no u r h o m ec o u n t r yi sn o tp o p u l a r , t h ed e s i g n e r so fp f ca r ea l s of e w , o u rs t u d yi sa n a d v e n t r u o u sa t t e m p t n o wt h ep r e s i m u l a t i o no ft h ec h i ph a sf i n i s h e da n dt h el a y o u ti s i np r o g r e s s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ta l lt h ed e s i g ns p e c i f i c a t i o n sa lem e t t h e t y p i c a lv a l u eo fp ff o rp o w e r f a c t o rc o r r e c t o ra p p l i c a t i o nc i r c u i t si sg r e a t e rt h a n0 9 7 w h i c ht a k e so nap e r f e c tp fc o n t r o l l i n gp e r f o r m a n c e k e y w o r d ：a p f c a c d cc o n v e r t e rd o u b l em o d eb c dp r o c e s s 第一章绪论 第一章绪论 1 1 功率因数校正概述m 1 由于电力电子工业的迅猛发展，电源已成为电力电子工业的必须产品，电源 的各项参数标志着电源的特性，这些特性包括功率、电压、频率、噪声及带载能 力等，而满足一些特性的要求后又要满足体积、重量、形态、效率、可靠性等指 标，可见电源的形式极多，设计也很复杂。按电力电子的习惯称谓，a c - d c 称为 整流，d c a c 称为逆变，a c a c 称为交流变频变压，d c d c 称为直流一直流变 换。随着半导体器件的发明与发展，上述这些转换的实现更加方便、有效。值得 关注的是：在大部分用电设备中，电源直接来自交流电网，但几乎所有的电路都 需要使用直流进行供电，因此上述a c d c 变换器成为众多电子产品的必须部分。 为达到交流转直流的目的，人们发明、创新了各种转换方法，最为简单且常用的 是桥式整流电路，它被广泛应用在各种开关电源中。 什么是丌关电源呢? 广义的讲，凡是以半导体功率器件作为丌关，将一种电 源形态转变为另一种形念的主电路都叫做丌关变换器电路；转变时用自动控制闭 环稳定输出并有保护环节则称为丌关电源。 传统的开关电源存在一个致命的弱点，即功率因数较低，当然采用桥式整流 电路的开关电源也不例外，功率因数一般仅为o 4 5 0 7 5 ，作为无功分量的高次谐 波将直接危害电网，大量电流谐波分量倒流入电网，造成对电网的谐波“污染”。 一方面，产生“二次效应”，即电流流过线路阻抗造成谐波电压降，反过来使电 网电压发生畸变；另一方面，会造成电路故障，损坏用电设备。因此，从1 9 9 2 年起国际上开始以立法的形式限制高次谐波，我国国家技术监督局在1 9 9 3 年颁布 了国家标准g b t1 4 5 4 9 9 3 电能质量公用电网谐波。国际电工委员会于1 9 9 8 年对谐波标准i e c 5 5 5 2 进行了修改，另外还制定了i e c 6 1 0 0 0 3 2 标准。可见，随 着科学技术的不断发展，人们对电源性能的要求也越来越高，如何抑制谐波的产 生、提高功率因数成为新型电源系统设计追求的目标。 抑制丌关电源产生谐波的方法主要有两种：一种是被动法，即采用无源滤波 或有源滤波电路来旁路或滤除谐波；另一种是主动法，即设计新一代高性能整流 器，它具有输入电流为正弦波、谐波含量低以及功率因数高等特点，即具有功率 因数校正( p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ，简称p f c ) 功能。目前，国外一些较大的半 导体公司( 如m o t o r o l a 、s t 、u n i t r o d e 、s i l i c o ng e n e r a l 、s i e m e n s 、m i c r o l i n e a r 等) 都相继丌发、生产了各种功率因数校j 下控制器专用集成电路，国内的少数单 位也做了类似的工作，但与国外产品相比其市场竞争力还远远不够。近年来，我 国提倡建设节约型社会，再加上电力供应的短缺，功率因数校正电路得到了很大 2 双模式有源功率冈数校止专心集成电路的设计 的发展，成为电力电子学研究的重要方向之一。 早期的有源功率因数校j 下电路是晶闸管电路。进入7 0 年代后，随着功率半导 体器件的发展，开关变换技术突飞猛进，到8 0 年代，现代有源p f c 技术应运而 生。由于变换器工作在高频丌关状态，这种有源功率因数校正技术具有体积小、 重量轻、效率高、功率因数可接近l 等优点。8 0 年代的有源功率因数校正技术可 以说是基于b o o s t 变换器的功率因数校j 下年代，在此期间的研究工作主要集中在 对工作在连续导电模式( c c m ) 下的b o o s t 变换器的研究上，这类变换器的各种控 制方式一般基于所谓“乘法器”( m u l t i p l i e r ) 的原理：连续导电模式下的功率因数 校正技术可以获得很大的功率转换容量，但是对于2 0 0 w 以下的中、小功率容量 的情况，却不是很合适，因为这种方式往往需要较复杂的控制方式和电路。8 0 年 代术提出了利用工作在不连续导电模式( d c m ) 下的变换器进行功率因数校j 下的技 术，由于其输入电流自动跟随输入电压，因而可实现接近l 的输入功率因数。这 种有源功率因数校j 下技术也被称为自动功率因数校正或电压跟随器( v o l t a g e f o l l o w e r ) 。这种有源功率因数校正技术控制简单，只控制输出电压，但一般不适 用于大功率的场合。 9 0 年代以来，有源功率因数校正技术长足发展。p e s cr e c o r d s ( i e e e 电力 电子专家会议论文集) 上有关功率因数校正的报道增多，相应的p e s c 设立了单 相功率因数校正专题，它是单相功率因数校f 技术发展的里程碑。近年来，有关 各种功率因数控制新方法的研究报道也不少，同时，也提出了一些新颖的功率因 数校正原理的拓扑结构。 展望未来，p f c 技术的发展方向和热点问题主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 新拓扑结构的提出。基于已有原理，或新原理下的新拓扑结构。 ( 2 ) 把d c d c 变换器中的新技术应用于p f c 电路中。 ( 3 ) 新控制方法以及基于新拓扑结构的特殊控制方法的研究。对应用极其广 泛的中小功率电器设备，控制简单的低成本功率因数校正电源更受欢迎， 而大功率设备则需要优良的控制技术构成的高性能p f c 电源。 ( 4 ) 单级p f c 稳压丌关变换器的稳定性的研究。 总之，成本低、结构简单、易实现，响应速度高、低输出纹波的p f c 控制器 是人们追求的目标。 1 2 论文的主要工作及章节安排 本论文的设计工作来源于xxx 单位委托的科研项目“基于b c d 工艺a c d c 关键技术的理论研究与设计”，研究和设计a c d c 转换中的有源功率因数校正 控制专用集成电路芯片。 。 第一章绪论 本论文设计了一款双模式有源功率因数校正控制器芯片。论文中详细介绍了 该芯片拓扑结构的工作原理及传输特性。该芯片基于u m c 公司的0 6 1 a m3 0 v b c d 工艺，采用s t a r - h s p i c e 对设计的电路进行了仿真验证。仿真结果表明该芯 片具有较好的性能，符合我们的设计要求，可以满足市场应用的需要。 论文共分为五章。第一章是绪论；第二章介绍了功率因数校诈技术的分类及 原理，并介绍了几种b o o s t 型功率因数校正技术；第三章主要介绍x d 7 9 1 5 的系 统设计，包括芯片电路的规格定义、系统级结构设计等；第四章详细介绍了 x d 7 9 1 5 中关键模块的功能定义、电路实现及仿真结果；第五章是电路整体仿真 验证：最后是结束语。 4 双模式有源功率冈数校正专用集成电路的设计 第二章功率因数校正技术的分类及原理 要设计性能良好p f c 电路，必须对p f c 的理论知识有一定的了解。本章简 单介绍了p f c 的分类、几种基本b o o s t 型p f c 技术以及p f c 的基本原理。最后， 详细描述了b o o s t 型i 隘界导电模式控制器的工作原理及跟随式升压技术。 2 1 功率因数校正控制器的分类 i 2 l 功率因数校正控制器包括两大类：有源功率因数校正控制器和无源功率因数 校j 下控制器。其中有源功率因数校正控制器因其灵活、小型、高效而应用广泛。 有源功率因数校j 下控制器按控制的方法又可以细分为：脉宽调带j j ( p w m ) 、频率调 铝i j ( f m ) 、单环电压反馈控制、双环电流模式控制、数字控制、滑模( s l i d i n gm o d e ) 控制及单周期( o n ec y c l e ) 控制等；图2 1 列出了p f c 控制器按电路结构的分类， 现在大多数有源功率因数校正器( a p f c ) 都采用升压式，因其具有简单的控制方 法、高的功率因数值、小的谐波失真、适用广泛( 7 5 w - - - , 2 0 0 0 w ) 等特点。 为了后面设计电路的选 型，我们给出b o o s t 有源p f c 厂连续导电模式( c c m ) 三种工作模式的优缺点，如r 升水式非连续导电模式( d c m ) 下 厂仃源降艉式l 蝴导电模式( c r m ) 非连续导电型：这种技 ll 升降坻式 术有很明显的缺点：输入电 p f c 控制器 l 反激式 流的纹波比较大，因而丌关l 尤源( 采用电感、- 二极管、电容等) 的损耗很大，使开关的使用 图2 1p f c 控制器的分类( 按电路结构) 寿命降低：输出电压的纹波 也较大，对负载有一定的影响。因此它只适用于对功率因数要求不高、功率较小 的场合。采用该模式的p f c 电路电感电流波形如图2 2 ( a ) 所示。 连续导电型：输入电流和输出电压的纹波都比较小，但控制较复杂，开关损 耗较大，制作成本也比较高。这种导电模式一般使用于大功率、大电流的产品中， 对于普通的荧光灯电子镇流器显然是不合适的。采用该模式的p f c 电感电流波形 如图2 2 ( b ) 所示。 临界导电型：通过加入相应的控制电路，使得输入电流的峰值随正弦波峰值 的变化而变化，其功率因数可以非常高，达到9 5 是很容易的。相对c c m 型而 言，虽然它的输入电流、输出电压的纹波都较大，因而对开关的冲击较大，同时 丌关的导通损耗也较大，但其电路结构比较简单，比较容易控制，成本较低。与 d c m 型相比临界导电模式的输入电流、输出电压的纹波都比较小，功率因数 第二章功率冈数校止技术的分类及原理 也比较高，但电路结构要复杂一些，控制也相对复杂，成本较高。采用该模式的 p f c 电感电流波形如图2 2 ( c ) 所示。 t - 断嚏蚌l 乜攘j f d c m ) i 也g l 毡渣 f b ，连嚏吁啦暖- 旺c m ，l l ! ，皤电溘 c ，磕群学也硬式c r m 电馋l 乜潼 图2 2 有源功率i 灭l 数校止电感电流波形 l 、功率因数的定义 在介绍功率因数校正原理之前先介绍一下功率因数的定义。电工学中线性电 路的功率因数习惯用c o s t o 表示，q 为正弦电压与j 下弦电流间的相位差。由于整流 电路中二极管的非线性，尽管输入电压为j 下弦，电流却为严重非正弦，因此线性 电路的功率因数计算不再适用于a c d c 变换电路。用p f ( p o w e rf a c t o r ) 表示功率 因数，其定义为有功功率( p ) 与视在功率( s ) 的比值。即 p f ：i p ：掣：粤堕= 1 , c o s o p l ( 2 - 1 ) s u l i ri r 。 式中：i l 为输入电流基波有效值；i r 为电网电流有效值，i r = i ；+ i ；+ + i ：， 其中i , , 1 2 ，i n 为输入电流各次谐波有效值；u i 为输入电压基波有效值：丫为输入 电流的波形畸变因数：c o s d p 为基波电压和基波电流的位移因数。丫越小表示设备 输入电流谐波分量越大，c o s 巾。越小，则设备的利用率越低。 为了表达功率因数与谐波的关系，引入了总谐波畸变( t h d ) t h d = i r i i = 【i ；+ i ；+ + i i ：+ ) i ； ( 2 2 ) 则 6 舣模式有源功率冈数校止专刚集成电路的设计 p f ：占c 。s 审i l + t h d 2 t h d 用来衡量电网的污染程度，其值越小说 明对电网的污染越小，功率因数越高。 传统丌关电源功率因数低的根源是整流 电路后面的大的存储电容( b u l ks t o r a g e c a p a c i t o r ) 使输出电压平滑，但却使输入电流 变为尖脉冲，见图2 3 所示。产生电流尖峰 的原因是整流电路之后是容性负载，为了使 整流电路之后是电阻性负载以消除电流尖 u i 1i ( 2 3 ) 幽2 3 传统开关电源输入电压电流波 峰，就要引入隔离电路，基本隔离p f c 电路如图2 4 所示。 解决譬嘉羹篡篱：盒发f _ j _ 吖y 丫l _ r 解决电流尖峰的问题，从 士士ll 而提高电路的功率因数，o - 一 i1 但如何控制功率m o s 管p 甚jl 铜卞充电电容 的开启与关闭时间就成了本本li 实现这一电路的关键问4 。- o 题，下面介绍几种b o o s t 图2 4 基本隔离p f c 电路 型p f c 技术，并给出其电路的拓扑结构，从中我们可以了解到一些控制方法。 2 、基本b o o s t 型p f c 技术1 3 1 对于p f c 电路来说，目前应用最为广泛的是b o o s t 型电路，其特点前面已经 介绍，这旱将讨论几种基本b o o s t 型p f c 技术，因为各种类型的电路结构都是建 立在这些技术之上的。 1 ) 乘法器p f c 技术 八十年代中期，有源 功率因数校正技术的研究 以乘法器方式为主，其基 本原理电路如图2 5 所 示。图中b o o s t 变换器工 作在连续导电模式，其电 感电流就是输入电流。电 t f 幽2 5 典璎乘法器p f c 电路结构 感电流被采样并被控制，使其幅值与和输入电压同相位的j 下弦参考信号成j 下比， 从而达到功率因数校正的目的：乘法器方式p f c 电路还可以根据输出电源反馈信 号，利用一个乘法器电路来控制正弦参考电流信号，从而获得可调整的输出电压。 关于乘法器型p f c 技术的控制方案可分为三种：常频控$ 1 j ( c o n s t a n t f r e q u e n c y 第二章功率冈数校正技术的分类及原理 7 c o n t r 0 1 ) 、常误差带控制( c o n s t a n t - t o l e r a n c e b a n dc o n t r 0 1 ) 和变误差带控制 ( v a r i a b l e - t o l e r a n c e b a n dc o n t r 0 1 ) 。 目前这类功率因数校j 下控制器电路的研究主要是提出新的拓扑结构和对新的 控制技术的研究，如滑模控制、单周期控制等。 2 ) 电压跟随器p f c 技术 八十年代后期，s 。d f r e e l a n d 首先提出了利用不连续导电模式进行功率因数 校正的概念，有人称之为自动功率因数校正。k h l i u 首先应用“电压跟随器 ( v o l t a g ef o l l o w e r ) ”这个词来描述这一类有源功率因数校j 下技术。 图2 6 所示是b o o s t 型的基本电压跟随器p f c 电路。该变换器工作在不 连续导电模式，开关管t r 由输出电压误差信号控 制，丌关周期为常数。由 于峰值电感电流基本上j 下 比于输入电压，因此，输 入电流波形自然地跟随输 幽2 6b o o s t 型电压跟随器p f c 电路 入电压波形。事实上，对于不同的变换器结构，输入电流波形会出现不同程度的 畸变，但这对输入功率因数的影响并不明显。与乘法器型p f c 电路相比，电压跟 随型p f c 电路的控制简单，仅需要一个输出电压控制丌关。因此，多数现有的丌 关电源p w m ( p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n 脉宽调制) 控制集成电路均可作为电压跟 随型p f c 电路的控制器。而且，变换器工作在不连续导电模式下，就避免了b o o s t 变换器中因输出二极管反相恢复电流而带来的问题。 电压跟随器型p f c 技术的一个缺点是其输入电流波形为脉动三角波。因此其 前端需添加一个小容量的滤波电容以滤除高频纹波，实际图2 6 中我们画出了l c 低通滤波器，效果会更好。另一个缺点是其较高的丌关峰值电流会带来较大的丌 关关断损失。尽管如此，由于这种p f c 技术简单，近年来对它的研究也很活跃。 根据研究，所有基本变换器类型，如b u c k 、b o o s t 、b u c k b o o s t 等在不连续导电模 式下都可用于构成电压跟随式p f c 电路。 有关电压跟随器型p f c 电路的研究主要集中在对其性能的改进方面，如软丌 关技术、多导电模式以及新的拓扑结构，以提高其动态响应速度等。 3 ) 其它p f c 技术 为了同时实现功率因数校j 下和稳压功能，降低电子产品的成本，人们希望能 在单级功率因数变换器中既实现电流的整型，又能获得所期望的输出电压，这就 是单级功率因数校j 下技术。它是目前研究的热点问题。除了上面两种常见的有源 8 双模式有源功率冈数校正专用集成电路的设计 功率因数校f 技术及单级功率因数校正技术外，还有一些其它技术，如新型无源 p f c 技术、软丌关技术、三电平p f c 技术、磁放大p f c 技术和不连续电容电压 模式p f c 技术等。限于篇幅和目前工程应用的局限性这里就不详细讨论了。 2 2 功率因数校正的原理【4 】 从前面的叙述中可以看出，功率因数的校正主要是将输入电流调整成j 下弦波 的形式，且与输入电压同相位，调整的越接近同相正弦波则功率因数越接近理想 值l 。功率因数校正电路基本上是一个a c d c 变换器。一个标准的变换器利用脉 冲波宽度调变技术来调整输入功率的大小，以提供适当的负载所需功率。脉冲波 宽度调变器控制切换丌关( 功率m o s 管) 将直流输入电压变换成一串电压脉冲 波，再利用变压器和快速二极管将其转换成平滑的直流电压输出。这个输出电压 随即与一个参考电压进行比较，所产生的电压差回馈至p w m 控制器。这个误差 电压信号用来改变脉冲波宽度的大小，如果输出电压过高，脉冲波宽度会减小， 进而使输出电压降低，以使输出电压恢复至正常输出值。p f c 电路是利用这个方 法，加入一些控制电路，如图2 7 所示为b o o s t 有源功率因数校证器原理图，虚 框内为控制电路。 图2 7 所示电路的工作原理是：主电路的输出电压v o 和基准电压v 陀f 输入到 电压误差放大器v a 比较，整流电压v n c 检测值和v a 的输出电压信号共同加到 乘法器m 的输入端，乘法器m 的输出则作为电流反馈的基准信号，与丌关电流 i s 检测值经过电流误差放 大器c a 比较后，加到 p w m 及驱动器，用来控 制丌关t r 的通断，从而使 输出电流也就是电感电流 i l 的波形与整流电压v d c 的波形基本一致，使电流 谐波大为减少，提高了输 入端功率因数，由于功率 因数校正器同时还保持输 出电压恒定，所以使下一 级丌关电源设计更加容易。 图2 7b o o s t 獬有源功率冈数校止器 集成电路设计最终是要进行硅验证即要流片，所以减小芯片面积是降低成本 的关键因素，迸一步讲，就是要在不影响功能和性能的情况下，尽量减少电路中 的元器件个数，从图2 7 可以看出，乘法器电路无疑是最难实现且又需较多元器 第一二章功率冈数校正技术的分类及原理 9 件的模块，能不能不用乘法器呢? 答案是肯定的。根据前面的叙述，我们可以看 出临界导电型电路具有很高的性价比，那么临界导电型再加上无乘法器的电路就 是我们追求的目标，接下来我们就将介绍这种电路。 临界导电模式控制器在照明应用中很流行，而且使用方便价格低廉。图2 8 给出了这种电路的简化原理及电感电流波形。稳定输出时控制器的电流波形从零 斜升到参考信号然后回到零。参考信号与整流后的输入电压成比例，可以记为 k v i 。，其中k 是传统电路中交流电压分压器和乘法器的度量常数。已知电感和 输入电压的斜率关系，以下等式成立： i p k = k v i 。( t ) ( 2 - 4 ) i p k _ i ：半( 2 - 5 ) 其中i p k 是电感峰值电流，令两式的i p k 相等，可以求出开关管的导通时间 t o n = k l ( 2 - 6 ) 图2 8 不带乘法器的临界导电p f c 简化原理图及电感电流 此等式表示对于给定的参考信号k v i 。，t o 是常数。关断时百jt o f f 在整个周期 中变化，这就是可变频率的原因，它对于临界导电是必要的。在给定的线路和负 载条件下导通时自j 为常数，这是该控制电路的基础。图2 8 中，可编程单稳触发 器确定功率开关的导通时间。当导通时问结束时，p w m 将切换状态并断丌功率 _ 丌关。零电流检测器检测电感电流，当它达到零时，开关再次接通。虽然这产生 了略微不同的电流波形，但是与传统方案有相同的直流输出，而且不需要乘法器。 2 3 跟随式升压技术【4 1 前面已经介绍了，目前的功率因数校j 下控制电路大都采用升压型，采用普通 升压模式的功率因数校j 下控制器，根据电源类型( 美国、欧洲等) 的不同，其固 l o 双模式有源功率因数校止专用集成电路的设计 定的稳压输出一般都是2 3 0 v 或4 0 0 v ，这种固定输出具有一个很大的缺陷：不管 输入电压峰值如何，输出电压总比输入电压峰值高许多，这样无疑就会消耗掉很 多能量用来维持高的升压值，为了解决这一问题，业界人士提出了一种新的升压 输出技术跟随式升压技术，采用跟随升压控制技术的功率因数校j 下控制器的 输出电压并不固定在某一特定的电压值上，而是在给定输入功率的条件下，随着 交流电源幅度的变化而线性的改变。跟随升压技术的特性如图2 9 所示。 跟随升压过程主要有以下两个阶段， 参看图2 1 0 跟随升压工作情况。 第一阶段即丌关管导通阶段：在丌关管导 通过程中，电感电流按斜率v i n l 线性上 升。这罩，v i n 是瞬时输入电压，l 是电 感量： 第二阶段即丌关管截止过程：在开关管截 图2 9 跟随式升压特性 止过程中，电感电流按斜率( v o - - v i n ) l 线性下降，直到电感电流降至零。这 里，v 0 是输出电压。由于放电过程持续的时间比普通升压技术要长，因此在跟随 式升压技术中，截止时间也延长了。 传统升压技术相应的两个阶 “ 段持续时间是相等的，相比较不 难看出跟随式升压技术有很大的 了。这样，选用小电感量的升压 i 鳘i2 1 0 跟随升压i ：作情况 电感就可以将丌关频率限制在可 以接受的水平，整个电源的体积、重量和成本都得以降低。 最后要说明一下，跟随式升压由于输出电压会发生变化，直接利用输出电压 当然是不合适了，但是功率因数校f 控制器后往往要接d c d c ，现在的高性能 d c d c 大都具有宽电压输入范围，所以接在跟随式升压a p f c 之后非常合适。 第二章x d 7 9 1 5 系统殴计 第三章x d 7 9 15 系统设计 本章将介绍x d 7 9 1 5 芯片的系统设计。包括系统选型、系统功能设计，电路 参数指标要求、流片工艺选择、封装形式确定等。最后从系统设计的角度，对整 个芯片的工作过程进行了介绍。 3 1 设计选型 前面介绍了功率因数校正控制器的分类、原理及各种控制技术，现在将综合 以上信息，考虑选择一个合适的电路形式来实现设计的目标。我们的设计自订提是： 要适用于电子镇流器和离线式丌关变压器，体积小，外围元件少。其它详细电气 指标见后面所述。既然是功率芯片，自然就会想到高压，所以x d 7 9 1 5 采用了高 压工艺设计，即u m c0 6 1 a m3 0 vb c d 工艺。b c d 工艺是目前国内较为新的一种 工艺，但国外已经使用的非常普遍了，b c d 工艺即b i p o l a r 、c m o s 、d m o s 器 件可在同一个芯片中同时采用，它是一个比较完整的可以制作任何器件的一种工 艺。因为线性度高、放大倍数比较大的时候，通常使用双极比较好：而如果要控 制的话，需要低功耗，采用c m o s 比较好：一旦要一些输出功率，又要控制功率 小、电流比较大，则d m o s 比较好。 在该工艺中，我们可以采用的器件有：低压( 5 v ) c m o s 器件、高压( 3 0 v ) d m o s 器件、n p n 管、横向p n p 管l p n p 、纵向p n p 管v p n p 、二极管、电容 以及各种电阻。 综合前述各种因素，x d 7 9 1 5 将设计成为临界导电模式、无需内部乘法器、 带跟随升压的b o o s t 型有源功率因数校诉控制器。 3 2 系统参数设计 根据选好的形式，我们确定出该芯片内部电路的基本的电特性参数、引脚个 数、定义及芯片的封装形式等。 i 、芯片应用范围及功能 x d 7 9 1 5 为一款自由频率临界导电模式b o o s t 型a p f c 控制芯片。可应用于 照明用电子镇流器、离线式丌关变换器等电力电子设备。它具有以下一些功能： 双模式：标准固定输出模式、跟随升压模式； 带逐周导通时问控制的p w m 锁存器； 导通时间固定，无需外部乘法器； 图腾柱式输出驱动电路： 1 2 舣模式有源功率冈数校止专川集成电路的设计 带迟滞的欠压锁定功能； 较低的启动和工作电流； 具有同步功能，具有过压欠压保护功能，过流保护功能； 最大导通时自j 精确可调： 内嵌精密基准电流源。 2 、典型应用电路图 1 5 0 w 负载时的应用电路如图3 1 所示，图中标星号的参数是跟随式升压模式 的参数，未标的是传统固定输出模式的参数。 图3 11 5 0 w 典型虑川电路图( d i p - 8 封装) 3 、引脚定义及封装形式 引脚定义如下： f b ( 引脚1 ) ：该引脚为反馈电流输入端，反馈电流与功率因数校f 控制器组 成的应用电路的输出电压成正比。反馈电流输入后将用于稳压和过压、欠压保护， 并且经内部电路平方后用作振荡器电容的充电电流。 v c o n ( 引脚2 ) ：该引脚为稳压模块输出端。在该引脚与地之问接电容，用 于外部环路补偿，调节带宽低于2 0 h z 以得到不失真的输入电流。 c t ( 引脚3 ) ：该引脚外接电容c t 以产生锯齿波，c t 电压与v c o n 电压相 比较后的信号用于控制导通时问。c t 的充电电流与反馈电流的平方值成正比。 c s ( 引脚4 ) ：该引脚用于连接与电感电流成f 比的负电压信号，用于电感零 电流检测，这一功能是通过外接检测电阻来配合实现的。同时，该引脚还可实现 过流限制，过流门限值由与该引脚相联的电阻和外部检测电阻来确定。 s y n ( 引脚5 ) ：该引脚用于接收同步信号。这一功能可使p f c 控制器与相 连的丌关电源( s m p s ) 同步，如果不使用同步模式，该引脚接地。 g n d ( 引脚6 ) ：该引脚必须与前置预转换器( 如整流桥) 的接地端相联。 d r i v e ( 引脚7 ) ：驱动输出，可用于驱动绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 或功率 m o s 管。 v c c ( 引脚8 ) ：该引脚为电路的正电源端，当v c c 高于l l v 时电路丌始工 第二章x d 7 9 1 5 系统设计 1 3 一一- l _ p 一 作，启动后的v c c 的范围为8 5 v - - 1 6 v 。 该芯片的封装形式初步确定为塑料d i p 8 和s o - 8 两种封装，这两种封装的 最大尺寸分别为：1 0 1 6 6 6 m m 2 和5 0 0 4 0 0 m m z 。 4 、电特性指标 根据应用场合的要求以及工艺参数，参照国外新型芯片的参数指标，我们确 定各电特性参数如下。 1 ) 最大额定值 表3 i 最人额定值表 参数符号 数值 单位 d r i v e 脚驱动电流 浠电流 i “s 讯蟹e 一5 0 0m a 拉电流i o l s i n k ， 5 0 0 v c c 最人值v c c ( m “) 1 6 v 输入电压v i n 一0 3 + 1 0 v i ：作环境温度t a 一4 0 + l0 5 2 ) 电气特性 我们定义的典型值的指标适用于v c c = 1 3 v ，t j = 2 5 ( t j 是工作结温度) ， 最大最小值除特别说明外，均对应全温度范围( t j = 一4 0 + 1 0 5 ) 。 表3 2 电特性参数表 符号参数说明 最小值典型值最人值单何 功率开关管驱动电阻 灌电流i o i 燃) = l o o m a 1 02 03 5 q r o h拉电流l o l 【s i 。k ，= 10 0 m a 5l o2 5 v t 振荡器捏幅 1 41 51 6 v 振荡器充电电流 i o s c 西 i f b = 1 0 0 1 a a 8 7 51 0 01 1 2 5 p a i f b = 2 0 0 p a 3 5 04 0 04 5 0 i f 铝一h 稳压器参考电流上限 1 9 22 0 02 0 8 t t a i g - l i 畔g h 稳压器参考电流卜限与上限之比 0 9 6 50 9 70 9 8 v z c d - t h 零电流检测比较器门限 一9 06 03 0m v i o c p c s 引脚内部电流源 1 9 22 0 52 1 8 a v 驰1 i - 同步信号i j 限 o 81 01 2v 露棚 热天断fj 限( 3 0 迟滞) 1 5 0 1 4 双模式有源功率冈数校止专刚集成电路的设计 符号 参数说明 最小值典型值最人值单位 i f b = 1 0 0 p a 时 v f b 一1 0 0 1 52 1 2 5v 反馈脚的钳位电压 i f b = 2 0 0 a 时 v m 一2 0 0 2 02 63 0 v 反馈脚的钳位电压 v 甜呷一h v c c 启动fj 限 9 7l l 1 2 3 v v d i s a b i e 启动后再关断的fj 限 7 48 5 9 6 v i o v p h 过压保护电流上限 2 0 82 1 32 1 8 g a i o v p - l 过压保护电流卜限 2 0 42 0 92 1 4 i u v p 欠压保护电流fj 限 2 42 83 2 a 启动时的电源电流 o 10 2 5 i c c m a i f b = 2 0 0 9 a 芯片j 1 ：作时的电源电流 4 08 0 3 3 系统级结构设计 l 、系统框图 前面已经为要设计的电路选好了型，再结合电特性指标，根据芯片需要完成 的功能，确定系统框图如图3 2 所示。其中粗线黑框内部电路是整个芯片的原理 电路，这个电路大体上分为以下十个模块： 基准模块： 该模块产生高压基准，用来作为内部电路的精密电源；还有一个基准电流产 生电路，产生基准电流：另外还产生一个偏置电流。 电流镜模块： 由四组电流镜组成，分别提供给稳压模块，振荡器模块和过压、欠压保护模 块，电流镜模块的输入是基准电流和反馈电流。 振荡器模块： 产生一个周期随开关信号改变的锯齿波信号，送到p w m 比较器。 稳压模块： 产生具有所设计的特性( 详见4 4 描述) 的电压输出，作为与上述锯齿波信 号比较的电压信号，用来稳定输出电压。 过压、欠压保护模块： 顾名思义，检测是否过压或欠压，并控制是否实行过压、欠压保护动作。 电流检测模块： 本模块电路的功能有两个，一是对电路进行过流保护，另一是零电流检测， 第二章x d 7 9 1 5 系统设计 两个功能都检测的是外部电感电流。 幽3 2x d 7 9 1 5 电路原理框图 同步模块： 实现与后续电路的同步工作，当同步信号超过l v 的门限值时，工作在同步 模式。同步信号小于l v 时，芯片不受同步信号影响。 p w m 锁存器： 逻辑电路，控制功率m o s 管导通时间，同步功能，保护功能等。 热关断模块： 过热保护电路，当温度超过1 5 0 c 时，功率m o s 管被强制关断，它有一个 3 0 的迟滞量。 驱动模块： 将内部产生的控制信号电平转换成芯片电源电平，控制外接功率m o s 管的 丌启和关闭。 1 6 双模式有源功率冈数校止专刚集成l 乜路的设计 这十个模块是x d 7 9 1 5 芯片的主体电路，它们各自有不同的