临界导通模式功率因数校正电路设计要点

1、西安电子科技大学硕士学位论文一种临界导通模式功率因数校正电路设计姓名：方磊申请学位级别：硕士专业：微电子学与固体电子学指导教师：刘毅20090101摘要摘要功率因数校正（PFC）技术是提高电子产品的功率因数、减少电网污染和降低谐波干扰的有效方法，所以如何提高开关电源的功率因数就成为目前设计应用中的研究热点之一。目前用于大功率场合的PFC技术已经趋于成熟，而适用于照明设备等小功率器件的PFC技术的研究在近几年才逐渐受到重视。为适应国内小功率用电设备的不断普及，论文重点研究了低成本的PFC控制器的设计方法。论文通过分析B00st升压型功率因数校正系统在临界导通模式下的工作原理，设计了一种PFC芯片

2、FT8201,并详细介绍了电路的实现过程。在FT8201设计过程中，针对电压控制环路中误差放大器带宽较窄的特点，在芯片内部集成了过压保护电路，能安全及时地处理过压情况，以及为进一步降低输入电流零交越失真，设计了具有总谐波失真系数优化功能的电路。并利用Cade11ce软件，采用CMOS工艺，对芯片内部各个模块电路进行了设计、仿真，并对整体应用电路进行了仿真验证。仿真结果表明，该芯片的各项指标满足设计要求，具有很好的功率校正控制性能。关键词：功率因数校正临界导通模式CMOS总谐波失真系数Abs仃actAbstractPFCwhichisaValidmethodtoimprOVethepower%o

3、torofelectronicproducts,reduceelectricalpollutional1dlowharmol1icimerf旨ence,SOhowtoimprOVethepowerf.actorofSMPShasbecomefmefocusesforthepresentdesiBpBpp1ications.90nemature,butNowadaysthePFCtcc111lologyforlarget1leresearchofPFCtechnologyforsmal1untilrece!Ityears.SothispowerBpplicationh骼beelIpowerEpl

4、icationdidl1'tgetellou曲甜6mionpERer锄phaSizedt11edesignof1owcostPFCchipt0suitthe孕DwingpreValenceofsmal1powerByequipm饥ts.in日匀dueingtheoIXtKsthecontr01strategyofboostpapert叩。1ogyPFCsySt锄，a11dana1yZingmeBCMdesi印edasortofPFCchipn锄edFT8201,ani11troducedtheimplftentationofthiscirc uit.DuI1a 11usioor锄 p1

5、ifieageprotec ichwasellringthepr ntOthenar rintheAPF t i o n c i r C u abledtosaocessofthe r o w b a J 1 d w i C c 1 1 ip, ano i tw 弱 i n t e 铲a felyhandledesign, i dthoferr Ver. Volt t e d i n , w h thecondi t ions.Al o n g w i t h r e d u c i n g t h e i n putcurrentcrossove roVvo 1 t a g e a d i

6、s t o r tion, T H D o p t i m ie o p t i m i z a t i o nu i tsofthechipzationcircuioftheflunct iw e r e a 1 soin 仃 0t a d d e d i n . T h onblockcirC d u c e dCadencemeyallhaVebhadainthepPffiFunhemlore,ee11simu1atedbysoMarewithPF®ldCMOSmodels. Thet t h e c i rh e g u i d e1 t s i n d i current

7、t m e e t t hcatedthaTHD, a 1 1 te r e q u i r ementsofthedesign.Keyword:PFCBCMCMoSTHD声明学位论文创新性声明西安电子科技大学秉承学校严谨的学分和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果：也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之

8、处，本人承担一切的法律责任。本人签名：关于论文使用授权的说明西安电子科技大学本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。（保密的论文在解密后遵守此规定）本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。本人签名：导师签名：第一章绪论弟一早三百T匕第一章绪论电源是各种电子设备必不可少的组成部分，其性能的优劣直

9、接关系到整个系统的安全性和可靠性的高低。开关电源是目前电子设备中应用最为广泛的一种电源装置，具有损耗低、效率高、电路简单等显著优点【1】，主要应用在计算机、电子设备、仪器仪表、通信设备和家用电器等中。开关电源功率因数校正(PowerFactorCorrection,PFC)集成控制电路自20世纪90年代问世以来，引起了国内外电源界的普遍关注，现已成为最具发展前景和影响力的一项高新技术产品。近年来随着电子信息产业的高速发展，人们对开关电源的需求与日俱增，开关电源PFC集成控制器已成为提高开关电源效率、减小电网污染的核心技术，开关电源的开发、研制和生产已成为发展前景十分诱人的朝阳产业。随着开关电源

10、的广泛应用，开关电源PFC集成控制器显示出了强大的生命力，它具有集成度高、性能价格比高、外围电路简单【2】和性能指标优良等特点，现已成为开发各类开关电源模块的优选集成电路。为此，本文集合国内外开关电源PFC技术的发展方向和国内现状，系统介绍了开关电源PFC技术的原理，重点介绍了有源功率因数校正中应用于小功率中的电流临界导通模式PFC集成控制芯片。1 .1论文研究方向开关电源以其效率高、功率密度高而在电源领域中占主导地位。开关电源多数是通过整流器与电力网相接的，经典的整流器是由二极管组成的一个非线性电路，在电网中会产生大量的电流谐波和无功功率而污染电网，成为电力公害。传统的开关电源存在一个致命的

11、弱点，即功率因数较低，一般仅为O.45-0.75,而且其无功分量基本上为高次谐波，其中三次谐波的幅度约为基波幅度的95%,五次谐波的幅度约为基波幅度的70%。开关电源已成为电网最主要的谐波源之一。针对高次谐波的危害，从1992年起国际上开始以立法的形式限制高次谐波，传统的开关电源在此限制之列。我国国家技术监督局在1993年颁布了国家标准GB/T1454993电能质量公用电网谐波。国际电工委员会(ImemationalElec仃OtechnicalCommission,mC)于1998年对谐波标准mC5552进行了修正，另外还制定了IEC61000.3.2标准，这些都对最大允许谐波有了明确的规定

12、。传统整流器因谐波远远超标而面临前所未有的挑战。2 一种临界导通模式功率因数校正电路设计抑制开关电源产生谐波的方法由两种：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；二是主动法，即设计新代高性能整流器，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功能。国外改善开关电源功率因数工作的重点，主要是功率因数校正电路拓扑结构的研究和功率因数校正控制集成电路的开发，国内一些厂家也做了类似的工作。采用功率因数校正电路的开关电源，器功率因数可达0.95-0.99,近似于1。随着功率半导体器件的发展，开关变换技术突飞猛进，80年代，现代有源PFC技术应运而生。由于

13、变换器工作在高频开关状态，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1等优点。80年代的有源功率因数校正技术可以说是基于BoOst变换器的功率因数校正年代，在此期间的研究工作主要集中在对工作在连续导电模式（CCM）下的Boost变换器的研究上。这类变换器的各种控制方式一般基于乘法器"（Mu1t1p11er）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，但是这种方式往往需要较复杂的控制方式和电路，而且在工艺要求上也比较高，所以这种PFC控制器的集成度都不高。80年代末提出了利用工作在不连续导电模式（DCM）下的变换器进行功率因数校正的技术，

14、虽然这种控制方式和电路比较简单，但是一般不适用于大功率的场合。进入20世纪90年代以后，有源功率因数校正技术取得了突飞猛进的发展。mEE在1992年开始在其会议论文集中专门设立了单相有源功率因数校正专题，这被视为单相有源功率因数校正技术发展的里程碑。此后，不断有新颖的功率因数校正原理、拓扑结构和控制方法出现。一些国家也相继推出了技术成熟的APFC专用集成电路。目前，国外一些较大的半导体公司（如TI、ST、OnSemiconductor、Illfineon、Faircllild>MicrO帘ear等）都相继开发、生产了各种功率因数校正（PowerFactorCorrection,简称PFC

15、）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的发展，成为电力电子学研究的重要方向之一。随着半导体和电源技术的发展和人们环保意识的提高。高性能、高集成度易于实现、响应速度快、输出纹波低，必定是有源功率因数校正电路的发展方向。当然，PFC只是交流电的前级稳压，一般不是直接为负载供电，后端还接上一个PWM控制器或是DC.DC稳压器。结合PFC和PWM的工作特性来优化供电系统的性能，提高电源的利用率也是PFC未来发展的趋向。另外在产品的电源输入端加装功率因数修正电路，势必

16、增加制造成本，这些费用到最后一定会转嫁给消费者，因此厂商在节省成本的考虑之下，通常会以低价为重而不愿意让客户多花这些环保费用，使得低能耗的产品不能顺利走向市场。第一章绪论统计表明，电力的大约1/5消耗在各种照明设备上，随着荧光灯和高压气体放电灯等新型高效电光源的使用，高频电子镇流器成为必不可少的配套装置。如果大量的低功率因数的高频电子镇流器投入运行，那么将使整个照明供电系统的可靠性大为降低，影响用电安全31。因此为适应国内用电设备的不断普及，研发低成本的PFC变换器，变得越来越重要。从近些年的发展看，Boost型PFC变换器因具有输入电流畸变小、效率高、拓扑简单、控制容易、成本低、功率因数高等

17、优点被认为是功率因数校正电路的首选结构，应用极其广泛【4】。按照电感电流的导通方式，B。st型PFC电路分为三种类型：电流连续导通模式（CCM）【5】、电流断续导通模式（DCM）和电流临界导通模式（BCM）61。当BOOst型PFC变换器工作于电流断续导通模式（DCM）时，其开关上的电压、电流应力较大，而且为了保证高功率因数和低谐波畸变，输出电压一般较高，器件承受较大应力，这给后级应用带来不便。而采用电流连续导通模式（CCM）时，需面临二极管的反向恢复的问题，而且控制相对DCM模式要复杂，不适用于小功率场合。临界导通模式则介于连续模式和断续模式之问，综合性能最佳，具有功率因数高、功率开关管零电

18、流导通、功率二极管的损耗小、控制电路简单等优点。临界导电模式功率因数校正技术正在逐步应用于中、小功率设备的功率因数校正环节中17J。目前国内在小功率PFC芯片的研发设计还处于起步阶段，已有的商业化产品也集中在台湾公司，但是大部分台商都偏重于DC/DC领域，主要产品包括线性稳压器、PWMIC和功率MOSFET,而提供完整AC/DC电源IC产品方案的IC设计公司并不多。大陆的公司目前只能效仿早期台商的模式，从低端的线性稳压器件切入电源管理芯片市场，或是采用较落后的工艺反向设计。中国作为全球重要的家电生产、消费和出口国，更是需要加大对电源技术的研发投入。基于以上目的，论文重点讨论目前较为流行的临界导

19、通模式（BCM）功率因数校正芯片的设计。临界导通模式的PFC芯片安照控制原理可分为两类【81,一类是使用乘法器来控制输入电流的波形，这类芯片需要采样整流输入电压波形，来得到一个与整流输入电压同相的正弦波形，以此来控制开关管的导通时间。另一类是不带乘法器而采用变频包导通时间技术来控制功率开关管的开关导通时间。在这两种控制原理中，前者由于直接采样输入电压，可以使得输入电流的失真更小，所以本文着重研究了使用乘法器来控制输入电流的控制原理。1 .2论文的主要工作与创新在论文工作期间，作者查阅了大量有关临界导通模式（BCM）功率因数校正控制器的相关资料，较为系统的研究了临界导通工作模式PFC功率因数校正

20、控制器芯4一种临界导通模式功率因数校正电路设计片的结构和性能。在刘毅副教授的指导下，进行了晶体管级的设计和仿真研究工作，有针对性的设计了一种CMOS工艺下的BCM工作模式的PFC控制器芯片FT8201。在功率因数校正控制芯片的拓扑结构中，Boost升压型功率因数校正电路由于具有主电路结构简单，变换效率高，控制策略易实现等优点而得到广泛应用；同时在小功率、低成本的应用场合临界导通模式具有较高的商业优势。为此论文通过分析BoOst升压型功率因数校正系统在临界导通模式下的峰值电流控制技术工作原理，设计了一种功率因数校正控制芯片一FT8201,并详细介绍了电路的实现过程。在FT8201设计过程前，考虑

21、市场上应用较广泛的芯片结构，就先确定了芯片需要实现的功能、系统结构和封装形式；并根据市场成本的要求确定了芯片将要采用的工艺。在FT8201设计过程中，针对具体的电压控制环路中误差放大器带宽较窄的特点，在芯片内部集成了过压保护电路，能安全及时地处理过压情况；以及为进一步降低输入电流零交越失真，设计了具有总谐波失真系数优化功能的电路。在完成电路模块设计和总体设计后，利用Cadence软件、CMOS工艺(5V、40V)先对芯片内部各个模块进行了设计、仿真验证：然后结合外部应用电路对整体电路进行了仿真验证。仿真结果表明，该芯片中各个功能模块电路均能满足设计指标要求，整体电路也能很好的实现功率校正控制功

22、能，并且电路中嵌入的过压保护功能和总谐波失真系数优化功能也达到了预期的效果。最后，由于在工艺稳定性和ESD保护电路设计方面没有太多的数据和经验参考，在设计考虑上并不完善。在工艺稳定性方面，由于时间上的限制，只是做到了对5V的MOS管的考虑，而对电阻、电容和40V的MOS管等器件并没有考虑；在ESD保护电路方面，只是采用典型的电路结构，并没有很好的方法通过仿真来验证。2 .3论文的章节安排论文共分为四章第一章主要介绍论文的背景、国内外的发展状况以及论文的研究工作;第二章主要介绍了功率因数校正的基本原理和控制方法等相关知识：第三章主要介绍芯片的系统指标、稳定性的要求以及芯片的结构框架，并详细介绍芯

23、片中关键模块的设计；第四章主要介绍芯片的整体仿真验证：最后结束语阐述了作者创造性工作在本研究领域的地位和作用，对存在的问题和不足应给予客观的说明。第二章功率因数校正（PFC）设计基础第二章.功率因数校正（PFC）设计基础高品质的电力供需，一直是全球各国所想要达到的目标【9】。然而大量的兴建电厂，并非解决问题的唯一途径。在提高电力供给能量的同时，抑制谐波对公共电网的污染，提高电器产品的功率因数或效率，使有限的电能得到充分地利用，才是有效解决问题的方法。本章重点介绍功率因数校正的基本理论、工作原理、控制方法以及有源功率因数校正的基本特性。3 .1功率因数校正的基本理论3.1.1 功率因数的定义根据

24、电工学的基本理论，功率因数（PF）定义为有功功率（P）与视在功率（S）的比值，用公式表示为阡：兰：必：生呸：yc。s兹1SULIRIRH（21）、1式中：为输入电流基波有效值；么为电网电流有效值，么=P+A2+L2,其中：么，。为输入电流各次谐波有效值；U为输入电压基波有效值；y为输入电流的波形畸变因数；c。s识为基波电压和基波电流的位移因数可见，功率因数由输入电流的波形畸变因数y以及基波电压和基波电流的位移因数cos破决定。cos识越小，则设备的无功功率越大，设备利用率越低，导线和变压器绕组的损耗越大；，越小，表示设备输入电流谐波分量越大，将造成电流波形畸变，对电网造成污染，使功率因数降低，

25、严重时会造成电子设备损坏。通常无源电容滤波二极管整流电路输入端的功率因数只能达到O.65左右。由式(2.(1) ，抑制谐波分量即可达到减小y、提高功率因数的目的。因此，可以定性地说谐波的抑制电路就是功率因数校正电路(实际上二者有所区别)。如何抑制和消除谐波对公共电网的污染、提高功率因数已成为当今国内外电源界研究的重要课题。PFC技术应用到新型开关电源中，己成为新一代开关电源的主要标志之一。一种临界导通模式功率1天1数校正电路设计3.1.2 功率因数校正(1)功率因数校正的基本原理波宽度调变技术(Pu1sewidthModu1ation)技术来调整输入功率的大小，以供应适当的负载所需功率。脉冲波

26、宽度调变器控制切换开关(通常利用功率开关管来完成)成平滑的直流输出电压。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PWM控制器。这个误差电压信号用来改变脉冲波宽度的大小，如果正常输出值。.PFC电路也是利用这个方法，但是加入了一个先进的元件，使得来自交流电源是说，当交流电压较高时，PFC电路就从交流电源吸取较多的功率；反之，若交流电压较低，则吸收较少的功率，如此可以抑制交流电流谐波的产生。(2)功率因数校正技术的分类根据电网供电方式，PFC电路可分为单相PFC电路和三相PFC电路；根据电路构成，PFC电路可分为无源PFC电路和有源PFC(ActiveAPFC）电路无源功率因数

27、校正电路通常由大容量的电感、电容和工作于工频电源的整流器组成。有源功率因数校正电路往往工作于高频开关状态，他们的体积较小，重量PowerFactorCorrection,较轻，其功率比无源功率因数校正电路的效率高。PFC技术有多种分类方法，一般认为有两种基本的有源PFC技术，其中一种时变换器工作在连续导电模式下的乘法器型PFC技术，另一种时变换器工作在不连续导电模式下电压跟随器型PFC技术。乘法器型PFC技术的基本原理是B00st变换器工作在连续导电模式，电感电流就是输入电流。电感电流被采样并被控制，使其幅值和与输入电压同相位的正弦参考信号成正比，从而达到功率因数校正的目的。乘法器型PFC电路

28、还可以根据输出电压反馈信号，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。基本的电压跟随器型PFC电路中的变换器工作在不连续导电模式，具开关由输出电压误差信号控制，开关周期为常数。由于峰值电感电流基本上正比于输入第二章功率因数校正伊FC1设计基础电压，因此输入电流波形自然与输入电压波形相同。2.2功率因数校正技术控制方法分析功率因数校正的基本原理，就是通过校正电路，使交流输入电流波形完全跟随交流输入电压波形，也就是使输入电流和输入电压同相位，即输入电流与输入电压同频同相来达到提高功率因数的目的。对开关电源而言，常规的整流装置由桥式整流器【1。】和大容量的滤波电容组成，图2

29、.1是交流电经过两级开关整流器整流后转换成用电器负载能够使用的直流电的工作原理框图。在图2.1所示的电路中，只有当线路输入峰值电压大于滤波电容C1两端的电压加上整流二极管的导通电压时，整流二极管中才会有电流流过。因此输入电流中就会含有大量的高次谐波电流分量。若不在AC/DC整流器前端加入功率因数校正电路的话，这些高次谐波电流分量将会使得整个供电线路的功率因数低至O.60.7。图2.1开关电源整流工作原理框图正如前面所介绍的，常用的功率因数校正方法主要有有源功率因数校正和无源功率因数校正两大类。有源功率因数校正又有分立元器件和集成电路构成之分，由分立元器件和集成电路组成的有源功率因数校正电路又有

30、许多种不同的电路形式。而由于采用集成电路组成的有源功率因数校正电路具有工作可靠、使用性能好等一系列优点，所以采用集成电路组成的有源功率因数校正电路得到了广泛的应用。有源功率因数校正电路组成较复杂、成本较高，但是功率因数校正效果较好。无源功率因数校正电路基本上是利用无源分立元件组成，无源功率因数校正电路由于成本低、功率因数较高，所以只要对谐波电流控制适当的话，也可以满足应用设计要求1uj。按照软开关【121(SoR.Switch)特性，功率因数校正技术可以分为零电流开关功率因数校正技术和零电压开关功率因数校正技术。按照实现软开关的具体方法，每一种临界导通模式功率因数校正电路设计一种软开关功率因数

31、校正技术又可以进一步划分为并联谐振型、串联谐振型和准谐振型等。2.2.1无源功率因数校正(PPFC)单相整流电路的无源功率因数校正技术是在整流电路中用LC滤波器来增加整流桥导通角，从而降低电流谐波，提高功率因数。无源功率因数校正由于采用电感、电容、二极管等元器件代替了价格较高的有源器件，因而使开关电源的成本降低。虽然采用无源功率因数校正技术所得到的功率因数不如有源功率因数校正电路高，但仍然能使电路的功率因数提高到0.70.8,输入电流的谐波含量下降到40%以下，因而这种技术在中小功率的电子设备中被广泛使用【131。但是无源功率因数校正还存在着诸如波峰系数与输入电流的谐波含量较高等技术问题，仍需

32、要进一步的改进。无源PFC电路同时作为整流电路的前端滤波器工作在工频(5060Hz)状态下，使用的电容和铁芯电感处于工频的低通或带通状态，因而滤波器的体积和重量比较大。由于尺寸和重量都较大，在大多数情况下会增加直流输出阻抗。一些简单的无源PFC是非常经济的，它们在许多低成本的电力电子设备中得到了广泛应用。为了满足新版电磁兼容标准的要求，提出了一种新的无源PFC电路。这个电路减小了基本LC滤波器的滤波电感，相应的降低了成本，同时新电路也取得了较高的功率因数。VO图2.2新型无源PFC电路典型的新型无源功率因数校正电路是在桥式整流电路之后加入一种利用电容和二极管网络组成的部分滤波器”，构成填谷IV

33、a11eyF111)'方式实现功率因数校正的目的，其基本结构如图2.2所示。其基本结构是采用两个滤波电容C1、C2和二极管组成。当输入电压高于C1和C2两端的电压时，两个电容处于用联充电状态；当输入电压低于电容C1、C2两端的电压时，两个电容处于并联放电状态。由第二章功率因数校正(PFC)设计基础9于电容和二极管组成的充放电网络增大整流二极管的导通角，可以改善输入电流的波形，从而提高功率因数，但其代价是不能很好地降低输入电流的谐波分量，直流电压包络在输入电压最大值和最大值的一半之间脉动。通常只适用于电子镇流器和中小功率开关电源。虽然无源功率因数校正具有电路结构简单、成本低、可靠性高、电

34、磁干扰小等优点，但其所需滤波电容和滤波电感的尺寸大、且运行情况受系统阻抗的影响,有源功率因数校正（APFC）2.2.2有源功率因数校正（APFC）是减小由于电器装置而引入的高次谐波成分对电网的污染和提高电气装置的PF值的一种行之有效的办法。在APFC电路中，APFC电感位于交流电供电整流电路和APFC输出滤波电路之间，APFC输出负载端接一大容量的APFC滤波电容。APFC能对变化的谐波进行迅速的动态跟踪补偿15|,而且补偿特性不受电网阻抗和负载阻抗的影响，所以和无源功率因数校正补偿相比，具有补偿特性好的优点。APFC的基本原理是通过控制电路强迫交流输入电流波形跟踪交流输入电压波形，从而实现交

35、流输入电流正弦化，并与交流输入电压波形同步，其作用相当于一个纯电阻，所以有源功率因数校正（APFC）又叫做电阻仿真器。由于半导体制造加工技术的快速进步，分立半导体器件和集成电路的造价不断降低，有源功率因数校正技术由于它技术性能好的优点，得到了更加广泛的应用。由于有源功率因数校正（APFC）技术具有补偿特性好的优点，在实际应用中占有绝对优势，电路形式多样，控制集成电路品种齐全。有源功率因数校正（APFC）是抑制谐波电流、提高功率因数的有效方法。一般的有源功率因数校正电路有两个反馈控制环路：输入电流控制环路和输出电压控制环路。按照电路结构划分，有源功率因数校正（APFC）可以分为：1）降压式：因工

36、作噪声大、滤波困难、功率开关管上的电压应力大、控制驱动电平浮动，所以很少被采用。2）升降压式：需要两个功率开关管，其中一个功率开关管的栅极驱动信号浮动，电路复杂，因此也较少采用。3）反激式：输出信号与输入信号隔离、输出电压可以任意选择、简单的电压模控制，适用于150W以下电源或电子镇流器的功率因数校正场合。4）升压式：采用简单的电流模控制，具有PF值高、nD小、驱动电路简单、效率高的优点，适用于75-2000W功率范围的功率因数校正应用场合，应用最为广泛。1O一种临界导通模式功率因数校正电路设计如果按照控制输入电流的工作原理划分的话，APFC又可以分为：1）平均电流型：工作频率固定、输入电流连

37、续、开关管电流的有效值较小、EMI滤波器的体积较小、能抑制开关噪声、输入电流波形失真小。但是控制电路复杂，需要用到乘法器和除法器模块。2）滞环电流型【：电流波形平均值取决于电感输入电流波形。控制电路比较简单、电流动态响应速度快、限流能力强，但滞环宽度对开关频率和系统影响较大，需要合理选取。3）峰值电流型：工作频率变化、输入电流不连续、控制电路简单、THD小，但是电流峰值与电流平均值之间存在误差、且电流峰值对噪声较为敏感，容易受到谐波干扰。有源功率因数校正具有以下特点：1）2)3)平滑的交流输入电流波形，较小的高频谐波电流成分交流电流过零点平滑，无较大的间断启动时输出直流电压的超调量小，可以控制

38、在510%的范围内，启动速度快4)5)6) )7)8)9)良好的直流输出稳定性，在各种条件下不会产生自激空载时直流输出电压的上升量不超过额定值的3%高功率因数，PF高达0.99以上较低的总谐波失真系数，丁!11)小于10%较宽的输入电压范围可达90-270V磁性元件体积小有源功率因数校正的缺点是电路比较复杂、电路的总体工作效率较低、电磁辐射干扰较大、造价也较无源功率因数校正电路高。2. 3有源功率因数校正的实现方法有源功率因数校正(APFC)方法是指直接采用有源开关或AC/DC技术，在整流器和容性或感性负载之间接入一个开关变换器，使整流器的负载近似为阻性，采用电流反馈技术，并利用附加电路对输入

39、电流进行整形，使交流输入电流的波形跟随交流输入电压波形。相比其它功率因数校正方法，这种方法的优点是：总谐波失真小、可得到高达0.95-0.99的功率因数、可在较宽的输入电压范围和带宽内工作、输出电压稳定、体积小、重量轻、损耗功率小、相对无源功率因数校正电路的效率高f17。有源功率因数校正（APFC）分类的方法有许多种，按照控制方法划分，可以第二章功率因数校正（PFc）设计基础分为脉冲宽度调制（PWM）、脉冲频率调制（PFM）、单环电压反馈控制、双环电流反馈控制和数字控制等。根据电感电流是否连续，APFC电路的工作模式又可分为连续导通模式（CCM）、非连续导通模式（DCM）和介于两者之间的临界导

40、通模式（BCM）。.2.3. 1有源功率因数校正电路拓扑结构有源功率因数校正电路的主电路拓扑结构常采用Dc/Dc变换器的电路拓扑结构【18。其中升压型（BOOst）结构由于具有电感电流连续【191、储能电感也可用作滤波电感来抑制PFI和EMI噪声、电流波形畸变小1输出功率大及功率开关管的驱动电路简单等优点，所以使用较为广泛。故有源功率因数校正电路的主电路拓扑结构一般采用升压型（BOOst）拓扑结构。十VIN%图2.3升压型APFC电路拓扑结构如图2.3所示，输入电流始终等于电感上的电流IL,因此输入电流可以处于连续状态，这一点在实现大功率的APFC功能时，具有独特的优势。同时，由于输入电流可以

41、处于连续状态，因此输入电流的纹波较小，可防止电网对主电路的高频瞬态冲击，EMI小，降低了对滤波电路的要求。由于功率开关管的源极电位始终为零（忽略功率开关管的导通压降），因此功率开关管的驱动信号容易控制，而且开关器件所需承受的反向电压也不会超过输出电压值。正是因为B。St型变换器具有以上一些特点，因而在APFC电路中得到了广泛的应用【20】。2.3.2临界导通模式下的峰值电流控制技术在连续导通模式下【2-；输入电流和输出电压的纹波都比较小，适用于大功率、大电流的产品。但是如果不采用零转换软开关电路，将产生严重的整流器反向恢复损耗问题。当然，采用软开关技术又会增加电路的复杂度、制作成本也会提高，一

42、种临界导通模式功率因数校正电路设计因此这种类型多采用乘法器来实现校正功能。非连续导通模式有很明显的缺点：输入电流的纹波比较大，因而开关的损耗很大，使开关的使用寿命降低，而且输出电压的纹波也比较大，对负载有一定的影响。其功率因数值依赖于输入电压和输出电压的比值，因此一般只适用于对功率因数要求不高，功率较小的场合。这种类型多采用电压跟随技术。在临界导通模式下，输入电流和输出电压的纹波与连续导通模式相比都较大，这是由于频率可变也存在潜在的EMI问题。但是优点如下【z2：（1）由于功率开关管在电感电流为零时导通，大大降低了导通损耗和续流二极管反向恢复时的损耗；（2）临界导通模式将电感电流保持在连续和非

43、连续的边界；（3）由于每个开关周期都在电感电流放电至零时结束，则只需对电压环路进行补偿。与非连续导通模式相比，临界导通模式的输入电流和输出电压纹波都比较小、功率因数也比较高、但电路结构要复杂一些，控制也相对复杂，成本较高。可以说，临界导通模式是连续导通模式和非连续导通模式的有益折衷。与电压模式控制方法相比，电流模式控制方法具有较好的电源电压和负载调整特性、响应速度更快，因此在APFC电路中得到广泛的使用。电流模式控制方法主要包括了平均电流控制、峰值电流控制、滞环电流控制、单周期控制、非线性载波控制等，其中以前两个的应用最为广泛。下面主要针对本文采用的峰值电流控制技术进行简要介绍。在临界导通模式

44、下，APFC电路通常采用峰值电流控制技术。它的电流上限是一个正弦基准电流，由误差放大信号与输入电压经全桥整流后的分压信号相乘后获得，下限则为零。采用峰值电流控制的Boost型APFC变换器基本结构如图2.4所示。交流输入电压VAc经过桥式整流后得到VIN,V玳通过R1、&分压取样后作为乘法器的一个输入信号，而输出电压Vo的反馈信号VFB和参考电压VREF经过误差放大器比较放大后得到信号VcoMP,VcoMP是乘法器的另一个输入信号。在稳定状态下，误差放大器的输出电压在半个工频周期内将保持恒定，乘法器的输出信号将跟随整流后的正弦电压VIN变化。该信号将作为基准信号输入到电流比较器的反相端

45、，而开关管K上的电流取样信号则作为电流比较器同相端的输入信号，当电感的电流值为峰值，即同相端的信号幅值达到反相端的信号幅值时，通过I塔触发器输出一个复位信号，关断功率开关管，使电感电流开始下降。当LsENsE构成的零电流检测电路检测到电感电流下降到零时；则通过RS触发器输出一个置位信号，开启功率开关管，电感电流开始上升。通过这样反复的开关过程，就可以使输入电流波形与输入电压的波形基本一致，达到功率因数校正目的。第二章功率因数校正（PFC）设计基础V图2.4采用峰值电流控制的B00st型APFC变换器综上所述，针对中小功率APFC领域，本设计采用升压型拓扑结构，临界导通模式与峰值电流控制技术的结

46、合，这也是当前主流产品的核心技术。2.3.3升压型峰值电流模稳态分析【23】众所周知，交流电网电压般采用50Hz的工频，经全桥整流后得到100Hz的半正弦波。该频率比功率开关管的开关频率（几十XIz几个MHz）小得多，所以在功率开关管的一个或几个开关周期内，可以近似认为输入电压是不变的，因此本设计的稳态分析都按照直流稳态分析进行。1）单个开关周期内的基本特性【24】【25】126】首先针对升压型结构进行说明，设某一时刻整流后的电网输入电压为VINo升压变换器使输出电压高于输入电压，若使用刈MOS管作为开关器件，其电路结构如图2.3所示。临界导通工作模式分为两个阶段（如图2.5所示）：第一阶段为

47、开关导通阶段，O（阿。r.:第二阶段为开关断开阶段，T蜘町。（其中：T为功率开关管的开关周期，T伽为一个周期内的开关导通时间，T。ff为一个周期内的开关关断时14一种临界导通模式功率因数校正电路设计问。）V INOV ovINILILP1 LAvi爰弋1 Toi:一TiA.！t图2.5电感电压和电感电流波形（1）开关导通阶段（吨T佣）当功率开关管K导通时，由于NM。s管源漏间的压降27】1艮小，所以二极管Dz反向截止，等效电路如图2.6所示。V1N广%ur1图2.6Boost导通等效图O<t<T。+屹'假设电感在此过程未饱和，则电感电流就从零线性上升到I1JP,即：?%0=

48、上扣之乙乩苦(2?2)(23)第二章功率因数校正(PFC)设计基础电感储存能量：E=抛P)2=簪的放电时间。亿4、输出电容CoUT给负载提供输出电流，选择适当大小的输出电容值来保证足够(2)开关关断阶段(Ton<t<T)第二阶段等效电路如图2.7所示。十VIN场图2.7Boost关断等效图Tyt町因为电感电流不能突变，电感两端电压反向，方向如图2.7所示，此时电流流过电感L、二极管Dz、输出电容CoUT和负载Ibo在下一个周期开关重新导通之前，电感电流线性下降，电感通过二极管Dz把储存的能量给输出电容C。Lrr充电，使得输出电压高于输入电压，电感两端的电压为：%0=上等。够（2.5

49、）2 6）%乱彘因为两个阶段电感纹波电流IV相等：LIV=毕：翌掣%上叨（2.7）、7令D为一个周期内的开关导通占空比，则有乙=Dr和硕=（1一D）丁，将乙。和代入式（27）可得：%=尚（2.8）一种临界导通模式功率因数校正电路设计由于O<D<1,则输入输出电压关系为为<%,这是图23所示的电路结构被称作Boost型变换器的原因。2）半个工频周期内的基本特性将上面的分析拓展到半个工频周期。设为为交流输入电压有效值，国为交流输入电压的角频率，则正弦交流输入电压经桥式整流后的瞬时值可表示为：%（）'=6Jsi11谢（o予纠勺"（2.9）对于采用峰值电流控制的B0

50、0st型ApFC（可参照图2.4）,由于乘法器的引入，峰值电流比较器的基准信号与输入电压整流后的信号VJN（t）同频同相，所以电感峰值电流ILP（t）在半个工频周期内必然呈现一种与VIN（t）同频同相的正弦包络。又因为开关周期远小于半个工频周期，可以近似认为电感电流Ut）的平均值ILAv（t）就是输入电流Im（t）,而由前面的分析可知，电感平均电流为峰值电流的一半，所以：k（粉：乙矿（f）:掣z（210）这样就实现了输入电流与输入电压同频同相，从理论上讲，功率因数可以达到近似1。设焉为输入功率，t胱为电感峰值电流在半个工频周期内的最大值，则：k2.压笋o（f）=LMsin研将式（29）、（21

51、2）代入式（2.3）、（26）可得：（o<倒卯）（211）（2?12）:墨垒：！里型：竺k6形。?siI1研6.：（2.13）%2岩酵%（2?14）再将式（2.11）代入式（2.13）、（2-14）,就可得到半个工频周期内的瞬时开关频率：A（耐）。壶:工型：！堡二型至：兰竺：墅里型22%三易"jin,人1,、（215）第二章功率因数校正（PFC）设计基础由式（213）（2-15）可以看出，在临界导通模式下，外部功率开关管的导通时间恒定，频率可变。当交流输入电压最大时（研=三），开关频率最小；交流输入电压过零时（缈扣。或功f=万），开关频率最大口8【291。半个工频周期（用孚表示

52、）内的电庶中.流和功率开关管驱动脉冲波形如图2.8所示。（t）MoSnFF图2.8电感电流和功率开关管驱动脉冲波形第三章Fr8201芯片系统方案与模块设计第三章FT8201芯片系统方案与模块设计前章介绍了PFC控制的基础，以及临界导通模式下峰值电流控制方法的原理，并对电路系统设计进行了初步的讨论，本章将基于之前的内容，设计一款PFC控制芯片FT8201,并采用1mCMOS工艺对各个功能模块进行了仿真验证。3 .1FT8201系统设计方案要设计一个集成电路芯片，首先要从系统角度来确定其技术指标以及性能要求，然后对其进行功能模块的划分，从晶体管级对各个模块的功能加以实现，最后通过器件物理层实现整个

53、电路的功能。本章首先列出了芯片的功能和性能设计要求，然后详细讨论了芯片的系统设计方案。3.1. 1芯片的功能设计要求根据具体应用环境和市场需求，芯片主要功能及特点为:?临界导通模式控制的PFC变换器?具有T皿优化功能的内部乘法器输出电压过压保护较宽的电源电压范围？?低启动电流(<70衅)低静态电流(<4InA)1 %精度的内部基准电压？芯片主要引脚功能如下：仆IV:误差放大器的反相输入引脚。PFC变换器的输出电压通过电阻分压器反、馈回该引脚。CO御：误差放大器的输出引脚。该引脚和Nv引脚之间接有补偿网络，用来确保电压控制环路的稳定、高功率因数和低THD。MlHT:乘法器电路的输入引

54、脚。交流输入市电经整流后输出的电压经电阻分2 0一种临界导通模式功率因数校正电路设计压取样后连接至该引脚，为电流控制环路提供正弦参考电压信号。CS:电流检测控制环路输入引脚。外部功率开关管的电流经电阻检测后形成检测电压输入至该引脚，与由乘法器产生的内部正弦参考电压相比较，决定外部功率开关管的关断与否。ZCD:零电流检测输入引脚，当检测到电感上流过的电流为零时，触发外部功率开关管导通。.GND:芯片地引脚。GD:外部功率开关管的栅极驱动引脚该引脚的高电平被箝在16.5V,以避免在供电电源过高时损坏外部功率开关管。VCC:电源供电引脚。芯片的供电电源具有较宽的变化范围，最高值可达23V。3.1.2

55、系统框图及工作原理GD图3.1Fr8201系统框图图3.1中介绍了系统所必需的基准电压、误差放大器、峰值电流比较器、零电流比较器、乘法器、逻辑控制等模块，以及系统的自我保护、故障处理等模块，并详细说明了各个模块的功能以及系统的工作原理。该芯片采用升压型临界导通工作模式，峰值电流模控制技术。输出电压经电阻第三章Fr8201芯片系统方案与模块设计分压后接至误差放大器的反相端，与内部产生的基准电压进行差分放大后接至乘法器；通过内部乘法器(Multiplier)来采样输入电压，与误差放大器的输出电压相乘后形成正弦电压基准；通过外部采样电阻检测峰值电感电流并将其转化为电压信号，通过峰值电流比较器来确定外

56、部功率开关管的关断与否。当开压电感L上的充电电流达到峰值时，由峰值电流比较器输出控制信号，关断外部功率开关管，升压电感开始放电；当电感电流下降到零时，由零电流比较器输出控制信号，开启外部功率开关管，升压电感再次开始充电。内部的乘法器中包含了一个专门的T皿优化电路【301,这个电路的引入能够在较大的负载范围内减少交流输入电流信号的交越失真，并能在较宽范围的输入电源下保证极低的丁皿。在芯片内部集成了有效的过压保护电路，能安全及时地分别处理动态和静态过压情况(芯片启动时或负载断开时)。该芯片共包括十一个模块，简要介绍如下：(1)基准模块：(a)产生6V左右的齐纳电压基准，作为芯片大部分模块的电源；(

57、b)产生1.25V带隙基准电压，经电阻分压后为芯片各模块提供高精度的带隙基准电压。(2)欠压锁定模块：当Vcc低于9.5V时，芯片停止工作，同时功率开关管也被关断。当Vcc高于12V时，芯片正常工作。(3)误差放大器模块：将PFC变换器的输出电压经电阻分压后的反馈信号心IV与内部基准电压差分放大，输出信号至乘法器模块调节峰值电流比较器的正弦电压基准信号幅度，从而稳定变换器的输出电压。(4)乘法器模块：将误差放大器的输出信号与交流输入电压经整流分压后的信号相乘，产生峰值电流比较器所需要的正弦电压基准信号。(5)过压保护模块：提供有效的过压保护功能：(a):快速制动”信号达到翻转阈值时输出控制信号关断外部功率开关管。(b):软制动”信号达到翻转阈值时输出信号降低乘法器的输出电压。(c):静态过压检测信号高于内部施密特触发器的翻转阂值时输出控制信号关断外部功率开关管。(6)零电流检测模块：当检测到外部电感电流为零时，输出置位信号到逻辑控制模块，使功率开关管导通，进而对电感再次充电。(7)峰值电流比较器模块：将电感电流检测信号与乘法器产生的正弦基准相比较，当电感峰值电流达