DCM_CCM临界控制的APFC电路设计规范标准详

1、DCM/CCM 临界控制的APFC电路设计规范规范编码：版本：V1.0密 级：机密安圣电气研究管理部执笔人:高拥兵页 数：共15页DCM/CCM 临界控制的APFC电路设计规范专业学习资料2000年6月22日发布2000年6月22日实施深圳市安圣电气有限公司专业学习资料前言本规范于2000年6月22日首次发布。本规范起草单位：二次/工业电源研究部、研究管理部技术管理处本规范执笔人：高拥兵本规范主要起草人：赵林冲、朱品华、李晓、董晓鹏本规范标准化审查人：刘善中本规范批准人：华麟本规范修改记录：专业学习资料更改信息登记表规范名称：DCM/CCM 临界控制的APFC电路设计规范规范编码：版本更改原因

2、更改说明更改人更改时间专业学习资料 TOC o 1-5 h z 摘要5缩写词/关键词/解释5.来源5.适用范围5.规范满足的技术指标（特征指标）5.详细电路图5.工作原理简介6.设计、调试要点7.局部PCBK图（可选项）11.元器件明细表（详见附录）11.附录13附录1.元器件明细表13附录2.应用反例（可选项）15专业学习资料 摘要：本规范介绍了一种DCM/CCM临界连续控制方式的APFC电路，该电路一般应用 于中小功率AC/DC电源整流模块中（75W-1000W ）,作为前置变换器，起输入功率 因数校正作用。关键词：DCM/CCM临界控制，APFC缩略词解释CCM： Continuous

3、Current Mode ,电感电流连续模式DCM ： Discontinuous Current Mode ,电感电流断续模式APFC: Active Power Factor Correction ,有源功率因数校正.来源本规范中的电路来源于 GSM3.0 AC/DC模块S2T24M1M1单板，已经在GSM3.0 AC/DC模块中得到的批量使用验证,与之相关的外围单元电路有输入 EMI电路、后级 双管正激DC/DC变换电路。.适用范围该单元电路可用于交流输入的中小功率整流模块中（75-1000W）,如一次电源10A整流模块，工业电源的GSM3.0和HR项目，UPS的充电器等。.规范满足的技

4、术指标（特征指标）本单元电路在GSM3.0 AC/DC电源的PFC电路得到验证。该电源的规格为：输入：AC 150V280V输出：DC 407.5V专业学习资料开关频率：变频方式，满载时最低工作频率为34KHz0输出功率：900W (MAX)实际的测试结果表明，220V输入条件下，输入电流的THD值在5%以内，输入 电流谐波满足IEC1000-3-2 (A)标准要求。功率因数大于0.99,效率为97.3%。.详细电路图S2T24M1L3G101600V/6AAC输入1U/630VR20510K 0805 1%16LINEC2090.01UR212270K 1% 12062.IMULIC2100

5、.COM0.47U/50VVREFC212D2120.1U11C22413k0805 R213R217 10K 0805 1%2 I J D：BAV70飞 ID213AGNDC217 0 1U-I100u/16v2 3BAV70R22113K 0805保护关机信号1R22410K 0805 1%Q202BC84BTA600V/6AG102C170R183T101S2T24M1I-330P/1000V33/3WR110R103510k/0.5wC174C113C1025.10 3/3W 0 3/3WR1121U/630V270 k2KD103R11510KC110390U/450VvcCC223

6、REST DELAYIZCD22u/25v1UOUTPGNDFC13TL431IPKU2051VREF16R244R245C22010K 0805 1%10U/25V102/50VU202MC33368300 0805R105270kR108270kR20810k 0805 1%C2 0422u/25V0QR101 510k/0.5wR20222K 1206 5%9 LEBVFB 3_6ISEN耳DSEI30-06A4C211100uF/25VQ101 2N4401IXFH32N50/APT5015BVRQ10UE0.01U/630VR184R102Q1030.1U2N4403R109R113

7、D1411N4746AC109R114R185 _3/3W 0 3/3W390U/450V470K/2WR107200k/0.5wR111200k/0.5wDC输出R247 33 0805PFC欠压保护R2323.6k 1206R2433 6K 120610K 0805 1%R22813K 0805U204ALM358R231 1k 1206R234510 0805VREF1VDETC2150.1UR2335.6K 1206 1%图1单元电路原理图.工作原理简介专业学习资料图2 电感电流和MOSFET驱动波形电路原理图和工作波形示意图分别如图1,图2所示。PFC主电路采用通用的BOOST形式，

8、从图中可知其工作原理为 ：利用电阻R102, R114, R184, R185检测 PFC电感T101电流，与基准相比较，当电流达到正弦基准电流（为输入电压信号与电压环误差放大器输出的乘积）时，产生一个关断信号断开功率管Q102,随之PFC电感 电流下降，当电路检测到电感电流过零时，产生一个开通信号开通Q102,从而保持电 感电流始终工作于连续和断续的临界状态 ，工作波形示意图如图2所示。PFC电感电流 的峰值包络线跟随电流基准信号，是一个与输入电压同相的正弦波形 。通过差模电感 L101和电容C113, C174将PFC电感的峰值电流滤为平均值，就在输入端得到一个与输 入电压同相的正弦电流。

9、通过临界连续控制方式，可方便实现单位输入功率因数，并 因二极管D101的电流过零关断可消除其反向恢复损耗和寄生振荡，使变换器的控制更加简单，效率得到提高。.设计、调试要点设计中的关键在于PFCt感的设计，需综合考虑输入电压范围、输出功率、最低工作频率、输出电压等参数设计。GSM3.0 AC/DC模块DCM/CCM临界控制APFC电路详细设计计算技术参数：输入电压：AC 150V280V输出电压：DC 407.5V专业学习资料输出功率：0900W效率:0,97 (150VAC 输入时大于 0.95)6.1.2 Boost电感计算:电感量选取由于电感工作在断续与连续边界方式，峰值电感

10、电流为：2 2Pomax 2 2 9001 LP - Vin min- - 150 0.95 - ,9ALpI l功率管开通时间为0n - 2Uin sin电流基准为Il =2|所=2窑Nsin将(2)代入(1)式得工Lp2 2 Po .2LpPoton 二 -77i. -Uin Sin = | |22 Uin SinUinUin由以上推导过程可知，由于功率管导通时加在PFC电感上的电压和峰值电流基准波形相似，因此功率管的开通时间与输入电压相角无关由于PFOfe感工作于临界连续方式，则有ton 2 U in Sin = ( VO _ 2 U in Sin ) toff_2 U in sin变换

11、得 toff - Vo - 2Uin sin tont = ton toff 二Vo tonVo - 2 Uin sin(5)2LpVoPo将(3)代入(5)得 t (V。F U in sin ) U2则 tmax = (V；?10P；U 需_ tmaxVo_2Uin U变换得LP= 2VoPo专业学习资料设最低工作频率为33KHz,则馅2* = 3US,t 营 Mnn)Lp =2 Vo PoV2n min30 10a4；0 _150 0.95 15022 407.5 900=191.9 H最终调整值为：190uH电感设计采用双磁芯 E42/21/15 ,其Ae = 3.56cm

12、2 ,取Bmax=0.35T ,I Lmax = 1.5/R = 1.5 4/0.3 = 20A则有0.4 LI Max 10-AeBmax: 0.22CmBmaxN -0.4 I max1。上 一 30.5 ,取N=30 匝正常工作时电感最大电流为I Lmax =2 2Po2 2 900U 仙 min = 0.95 150=17.9ABmax = NS =0.32T动态时电感电流峰值为20A,对应最大磁感应强度为0.356T,低于铁氧体磁芯的一般饱和限值0.4T。正常工作时输入电流有效值为PoI in = U in min = 68A电感电流最大有效值为采用16*33#铜线4股并绕30匝。导

13、线截面积为2mm2,最大电流密度为3.65A/mm2 。电流过零检测绕组设计专业学习资料功率管关断时，PFC电感绕组最高电压为最大输出电压，也即PFC俞出过压点，为 1.08Vo=439V;最 低 电 压 为Vo-应Ui（max）=407.5-72280= 11.5VMC33368控制的电流过零检测典型阀值为1.2-0.2=1.0V ,选取电感电流过零检测绕组为3匝，匝比为110,验算绕组参数如下：设模块最高输入过压保护点为295Vac ,则辅助绕组上最高电压为 439/10 = 43.9V,最低电压为-295 友/10 = -41.7V。取电流过零检测回路中43.910用联电阻

14、为22K,则最大钳位电流分别为F- = 1.54mA ,-41.7 （-0.7）, “ A22= -1.86mA,满足5mA的检测电流限制要求。在150-280Vac的正常输入工作电压范围内,PFC电感电流过零检测绕组在电流 过零前的最低电压为11.5/10=1.15V ,大于典型阀值1.0V,可保证在输入电压范围内正 确检测电流过零信号。当输入电压超出此范围时，将可能检测不到正确的电流过零信 号，此时PFC电路也可工作，但将不能保证DCM/CCM临界工作状态，在输入电压峰值 点处（典型值为大于398V时），电感电流将可能处于连续工作方式。电流检测电阻在小功率应用中，功率管的电流检测可利用串联

15、电阻来实现，电阻的取值需考虑工作电流峰值和控制芯片的过流保护点，验算如下：功率管工作电流峰值即为PFC电感电流峰值，为17.9A。MC33368电流检测峰值 点为1.5V。15在正常工作范围内实现电流检测，要求R 17.9 = 83.8m 0专业学习资料为了限制动态时功率管的峰值电流，该电阻取值不能太小，实际选取四个0.3欧1.5/3瓦的金属膜电阻并联使用，这样功率管动态时的最大峰值电流为 =20A。功率管的设计选取： I c = = 5 2A功率管的电流有效值为IQ 25.2A稳态工作时功率管的峰值电流为17.9A,动态工作时功率管的峰值电流为20A。功率管的电压峰值为PFC俞出过压保护点电

16、压U = 1.08Vo = 439V。功率管 可选择IXYS公 司 的IXFH32N50 或APT公司的APT5015BVFR/APT5015BVR (500V 32A Rd=0.15二极管Po900- - O OA二极管平均电流： IoVO407.52.2A二极管峰值电流为：17.9A,二极管的峰值电压为439V。由于实现了输出整流二极管的软恢复，因此对其反向恢复性能要求较低，可选取 IXY必司的：DSEI 30-06A (600V/37A/1.4V/35ns)输出滤波电容设输出电容能够维持10ms,输出电压跌落至380V。c2PotC = 2 900 0.01 _32-)407.52 38

17、02 =847uF该电容工作时耐压407.5V ,最大可能电压439V,取两个450V, 390uF的电解电容并联，在电容上并470K, 2W的放电电阻。专业学习资料整流桥后电容电容两端最大电压为417V,当输入电压为150Vac时，忽略输入差模电感纹波电流，该电容输出峰值电流为2|lp = 8.9Ai. i最大输出（it） max 为 gtmax /Ilp 2= 33 17.9/8 = 73.8A s t） max _ 738 -设电容最大丫为20丫，则有CVmax - 40 T.85uF由于该电容中流过很大的纹波电流，选取ESR较低的电容，实际选取两个1uF/630V聚丙烯电容并联，最大V

18、为18.5V。输入差模滤波电感输入差模电感的作用是滤除 PFC电感电流中的高频分量，设电感纹波电流小于1A,则要求1tmax Vmax21 33 18.5L = 152.6uH实际选取电感为210uH,采用一个环形铁粉芯磁芯CA132-26 ,两个绕组差模方向绕制，分别接入输入相线和零线，线径为1.2mm,匝数均为22匝。磁芯型号为 CA132-26 , Bm = 1.4T, Ae = 0.805cm2,L |max 210 6.2 2 10-6Bm=LeT = 0.805 44 10M = 0.52T 1.4T丝2绕线最大电流密度为062 = 5.4A/mm驱动电路专业学习资料功率管的驱动采

19、用对管推挽驱动方式，驱动的对管分别选为2N4401 , 2N4403 ,当区动电阻Rg=5.1欧。吸收电路在DCM/CCM控制方式下，功率管关断峰值电流较大，其幅值为输入电流峰值 的两倍，在输入或输出动态跳变时关断电流峰值会更大。为保证功率管安全工作，需要加吸收电路。RC吸收具有电路形式简单，吸收效果较好等优点。设功率管关断时间为1100ns,则有=RC toff = 33ns,经过实验确定吸收电路参数为R=33 ,C = 330pFo整机指标变化时的相应调整办法当电路的参数发生变化，如输入电压范围，输出电压值，输出功率等参数发生 变化时，可根据第6.1中计算方法设计选取相应参数。PCB布板考

20、虑因素由于该电路采用峰值电流控制方式，电流采样信号对于干扰很敏感，需注意电 流采样信号回路，尽量减小其长度和面积。布板时尽量减小D101阳极与Q102漏极之间的连线长度，以减小线路寄生电感、降低Q102电压尖峰。D103应靠近Q102放置，以有效抑制功率管栅极震荡负压。在满足安规要求的前提下尽量减小功率回路面积,以减小EMI干扰。专业学习资料.局部PCB版图（可选项）0S2tS4mln）Lpch.元器件明细表参见附录1元器件明细表专业学习资料9.附录附录1.元器件明细表兀件位置序号MRPII编码主要参数厂家型号第二供应商及型号第三供应L10110011070210UH-9A万兴S2T24M1L

21、3金骏T10110011072190UH-20A海光S2T24M1L1万兴G101 , G10215030010600V/6ARECTRONRS605Q10215060072500V/32AIXYSIXFH32N50APT APT5015BVFRQ1011505000240V/0.6AMOTOROLA2N4401Q1031505000340V/0.6AMOTOROLA2N4403D10115010075600V/30AIXYSDSEI30-06D10315010020100V/1AIR11DQ10MOTOROLAMBR1100D1411504002418V/1WMOTOROLA1N4746AC

22、113 , C17408030123630V/1UF厦门法拉CBB20-630V-105-KC1010801004025V/100UFNICHICONUPL1E101MEHNCCC1020803014763V/0.1UF自贡双峰CL21X-63-100nJC170080300611000V/330pF成都宏明C12-D 1000V-330pFC17308030030630V/0.01uF厦门法拉CL21-630V-103-KF10C109 , C11008010339450V/390UFNICHICONLLU2W391MHLCR102, R114070106650.3 /3WKOASPRX3T

23、631A0.3 J专业学习资料R184 , R185R1830701066133 /3W四川永星RY21-3W-33-JKOAR1090701058415.1/ 4 W四川永星RJ14-1/4W-5.1 -FKOAR11007010656470K/2WKOASPR2T52A470K JR1130701055912K/ 4 W四川永星RJ14-1/4W-2K -FKOA控制电路参数见DCM/CCM临界模式的APFC控制电路设计规范（分页）专业学习资料Q101I Q101到MOSFEWfflfal口外之间，直接抑制网震荡负压,使MC33368 的QRIVE和LE端口均没有负压景醺Q1032N44035.1R109Q12N4403driVE09取得了良好的效果,PFC?分可正常工作。D1411N4746A.Q R1rD_2K13附