基于TPS759XX多片信号处理系统的电源设计
时间:2023-09-29 10:36来源: 作者: 点击: 次
开关由于其体积、重量和效率的优势正逐步取代线性,在各个领域获得广泛应用. 传统的非控整流开关,由于输入阻抗呈容性,网侧输入电压和输入电流间存在较大相位差,输入电流呈脉冲状,严重非正弦,谐波分量很高,给电力系统带来了严重污染,一般电网侧功率因数仅为0. 65 左右.国际电工委员会( IEC) 早在20 世纪90 年代初就制定了有关法规,严格限定设备的功率因数必须接近于1. 在当前大力倡导绿色电源的背景下,提高开关电源的功率因数也已经成为国内电源厂商的当务之急.
文章对APFC 技术中的准连续模式即峰值电流控制方式做了详尽论述,采用MC33262 芯片了一种宽电压输入范围、固定升压输出的150 WAC/DC 变换器. 实验结果表明该变换器能在95～255 V的宽电压输入范围内输出稳定的400 V 直流电压,并使得功率因数达到0. 99 以上,总谐波畸变降低至6 %以下.
1 APFC原理和MC33262 芯片介绍
APFC 技术按照电感电流是否连续可分为断续(DCM) 和连续(CCM) 模式2 种. CCM 一般直流―直流升压(BOOST) 变换器,尤其适合于大中功率容量. MC33262 功率因数补偿控制芯片电流控制方式是CCM 中的峰值电流控制方式.
MC33262 芯片内部含有自起动定时器、一象限乘法器、误差放大器、电流检测比较器、零电流检测器、图腾柱驱动输出以及过压、欠压等保护电路,具体内部结构框图见图1 所示,图中1～8 分别表示芯片引脚号, V ref为参考电压.
图1 MC33262 芯片内部结构图
利用一个无感采样电阻检测开关管流过电流,将所得电压经过一个内置阻容(RC) 滤波电路送入零电流比较器. 该比较器电流基准值由乘法器输出供给. 乘法器有2 个输入,一个是变换器输出直流电压(经过分压采样) 与基准电压之间的误差;另一个为全波整流后输出电压经过电阻分压后的值. 因此电流基准为双半波正弦电压,令电感电流的峰值包络线跟踪该输入电压的波形,使输入电流与输入电压同相位,并接近正弦. 该闭环系统在保持输入端功率因数接近1 的同时,也能保证输出电压的稳定.
当输出电压上升时,误差放大器输出电压下降,使乘法器输出的基值电流值下降,开关管的导通时间缩短,流过电感的电流下降,从而使输出电压下降. 反之,使输出电压上升,以达到稳定输出电压的目的. 由于乘法器输入取样来自全桥整流的输出,所以乘法器的输出和全桥整流输出电压波形的相位相同,从而使电感电流的平均值和整流输出电压同相,达到功率因数补偿之目的. MC33262 片内还带有RS 门锁电路,它同时受电流检测比较器、零电流检测比较器和过电压比较器3 个输出的控制,并可以确保在同一时刻芯片的脉冲宽度调制( PWM) 输出只有一种状态的驱动信号出现. MC33262 片内还带有欠电压封锁电路,当输入电源电压降低至内置8 V 参考电压时,封锁PWM 脉冲输出. MC33262片内还带有过电压比较器,能在输出端一旦出现过电压时禁止芯片产生驱动输出.
从控制角度上讲,该APFC 电路同时引入了电压和电流反馈构成一个双环控制系统,外环实现输出电压稳定,内环实现输入电流整形使之成为与电压同相位的标准正弦波.
图2 所示为采用MC33262 PFC 控制芯片构成的有源功率因数校正电路原理性框图. 场效应晶体管(MOSFET) 的导通受控于MC33262 芯片内的零电流检测器,当零电流检测器中的电流降为零时,MOSFET 导通,此时电感开始储能,电流增加. 这种零电流导通控制的突出优点有:
图2 有源功率因数校正电路原理框图
(1) 由于MOSFET 开始导通时刻,储能电感中电流为零,这样MOSFET 开关的应力和损耗大大减小,同时降低了对后级整流二极管快恢复性的要求,因此选用普通的快恢复二极管即可满足要求;另一方面免除了由于二极管恢复时间过长引起的开关管损耗,也就大大增加了开关管的可靠性.
(2) 由于开关管的驱动脉冲间无死区,所以输入电流是连续的并呈正弦波,这样大大提高了系统的功率因数.
2 MC33262 的APFC电路结构
2. 1 输入端保护及滤波电路分析
为避免交流输入端外界产生的电压尖峰对电源造成不利影响,采用金属氧化物压敏电阻并接在交流输入端对瞬态电压进行抑制 . 同时采用负温度系数的热敏电阻(NTC) 串联在交流输入端,用以增加对交流线路的阻抗, 把浪涌电流减小至安全值. 高频开关电源产生的电磁干扰( EMI) 主要以传导干扰和近场干扰为主. 共模干扰和差模干扰是传导干扰的2 种基本模态,EMI 滤波器是目前使用最广泛,也是最有效的开关电源传导干扰抑制方法之一. EMI 滤波器不但要抑制差模干扰,也必须抑制共模干扰,它的基本电路可以参照图3.
交流输入电路与电感L 和电容C 组成的低通滤波网络相连,以抑制电网上来的电磁干扰,同时还对本身产生的电磁干扰有抑制作用,以保证电网不受污染. 图3 中L1 为差模扼流线圈,L2 为共模扼流线圈,把串联电感L1 分成2 部分串入相线和中线可尽量保证2 线的阻抗平衡,防止由于阻抗不平衡引起新的干扰. 共模扼流圈由2 个线圈对称绕制而成,其特点是对网侧工频电流呈现较低阻抗,但对流经的高频共模干扰而言,等效阻抗却很高.
EMI 滤波电路中的电感器件串入电路中对工作状态不加干涉,而对差模和共模干扰起到抑制作用,它的结构是在1 只磁芯上绕制2 个相同绕组的线圈,工作时将这2 个线圈分别串接在电源上,当工作电流接通时,磁芯中的磁动势相互抵消,因而磁芯材料不受任何影响,不必担心其磁饱和. 在这次研制过程中,采用频率特性好,导磁率高的铁氧体材料.在该研制过程中,采用电感和电容组成π型滤波器,使得输出电压更加平滑,交流分量更少,考虑到电感器件中经常有较大的直流电流成分,因而电感器件的铁芯采用具有高饱和磁通密度的铁粉芯材料制成.
文章对APFC 技术中的准连续模式即峰值电流控制方式做了详尽论述,采用MC33262 芯片了一种宽电压输入范围、固定升压输出的150 WAC/DC 变换器. 实验结果表明该变换器能在95～255 V的宽电压输入范围内输出稳定的400 V 直流电压,并使得功率因数达到0. 99 以上,总谐波畸变降低至6 %以下.
1 APFC原理和MC33262 芯片介绍
APFC 技术按照电感电流是否连续可分为断续(DCM) 和连续(CCM) 模式2 种. CCM 一般直流―直流升压(BOOST) 变换器,尤其适合于大中功率容量. MC33262 功率因数补偿控制芯片电流控制方式是CCM 中的峰值电流控制方式.
MC33262 芯片内部含有自起动定时器、一象限乘法器、误差放大器、电流检测比较器、零电流检测器、图腾柱驱动输出以及过压、欠压等保护电路,具体内部结构框图见图1 所示,图中1～8 分别表示芯片引脚号, V ref为参考电压.
图1 MC33262 芯片内部结构图
利用一个无感采样电阻检测开关管流过电流,将所得电压经过一个内置阻容(RC) 滤波电路送入零电流比较器. 该比较器电流基准值由乘法器输出供给. 乘法器有2 个输入,一个是变换器输出直流电压(经过分压采样) 与基准电压之间的误差;另一个为全波整流后输出电压经过电阻分压后的值. 因此电流基准为双半波正弦电压,令电感电流的峰值包络线跟踪该输入电压的波形,使输入电流与输入电压同相位,并接近正弦. 该闭环系统在保持输入端功率因数接近1 的同时,也能保证输出电压的稳定.
当输出电压上升时,误差放大器输出电压下降,使乘法器输出的基值电流值下降,开关管的导通时间缩短,流过电感的电流下降,从而使输出电压下降. 反之,使输出电压上升,以达到稳定输出电压的目的. 由于乘法器输入取样来自全桥整流的输出,所以乘法器的输出和全桥整流输出电压波形的相位相同,从而使电感电流的平均值和整流输出电压同相,达到功率因数补偿之目的. MC33262 片内还带有RS 门锁电路,它同时受电流检测比较器、零电流检测比较器和过电压比较器3 个输出的控制,并可以确保在同一时刻芯片的脉冲宽度调制( PWM) 输出只有一种状态的驱动信号出现. MC33262 片内还带有欠电压封锁电路,当输入电源电压降低至内置8 V 参考电压时,封锁PWM 脉冲输出. MC33262片内还带有过电压比较器,能在输出端一旦出现过电压时禁止芯片产生驱动输出.
从控制角度上讲,该APFC 电路同时引入了电压和电流反馈构成一个双环控制系统,外环实现输出电压稳定,内环实现输入电流整形使之成为与电压同相位的标准正弦波.
图2 所示为采用MC33262 PFC 控制芯片构成的有源功率因数校正电路原理性框图. 场效应晶体管(MOSFET) 的导通受控于MC33262 芯片内的零电流检测器,当零电流检测器中的电流降为零时,MOSFET 导通,此时电感开始储能,电流增加. 这种零电流导通控制的突出优点有:
图2 有源功率因数校正电路原理框图
(1) 由于MOSFET 开始导通时刻,储能电感中电流为零,这样MOSFET 开关的应力和损耗大大减小,同时降低了对后级整流二极管快恢复性的要求,因此选用普通的快恢复二极管即可满足要求;另一方面免除了由于二极管恢复时间过长引起的开关管损耗,也就大大增加了开关管的可靠性.
(2) 由于开关管的驱动脉冲间无死区,所以输入电流是连续的并呈正弦波,这样大大提高了系统的功率因数.
2 MC33262 的APFC电路结构
2. 1 输入端保护及滤波电路分析
为避免交流输入端外界产生的电压尖峰对电源造成不利影响,采用金属氧化物压敏电阻并接在交流输入端对瞬态电压进行抑制 . 同时采用负温度系数的热敏电阻(NTC) 串联在交流输入端,用以增加对交流线路的阻抗, 把浪涌电流减小至安全值. 高频开关电源产生的电磁干扰( EMI) 主要以传导干扰和近场干扰为主. 共模干扰和差模干扰是传导干扰的2 种基本模态,EMI 滤波器是目前使用最广泛,也是最有效的开关电源传导干扰抑制方法之一. EMI 滤波器不但要抑制差模干扰,也必须抑制共模干扰,它的基本电路可以参照图3.
交流输入电路与电感L 和电容C 组成的低通滤波网络相连,以抑制电网上来的电磁干扰,同时还对本身产生的电磁干扰有抑制作用,以保证电网不受污染. 图3 中L1 为差模扼流线圈,L2 为共模扼流线圈,把串联电感L1 分成2 部分串入相线和中线可尽量保证2 线的阻抗平衡,防止由于阻抗不平衡引起新的干扰. 共模扼流圈由2 个线圈对称绕制而成,其特点是对网侧工频电流呈现较低阻抗,但对流经的高频共模干扰而言,等效阻抗却很高.
EMI 滤波电路中的电感器件串入电路中对工作状态不加干涉,而对差模和共模干扰起到抑制作用,它的结构是在1 只磁芯上绕制2 个相同绕组的线圈,工作时将这2 个线圈分别串接在电源上,当工作电流接通时,磁芯中的磁动势相互抵消,因而磁芯材料不受任何影响,不必担心其磁饱和. 在这次研制过程中,采用频率特性好,导磁率高的铁氧体材料.在该研制过程中,采用电感和电容组成π型滤波器,使得输出电压更加平滑,交流分量更少,考虑到电感器件中经常有较大的直流电流成分,因而电感器件的铁芯采用具有高饱和磁通密度的铁粉芯材料制成.
