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| 功率因数校正器UC3854A/B的特性及其应用 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2007-5-11  |
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1前言 随着国家工业现代化和电气化的飞速发展，功率因数校正（PFC）技术在电网能源“绿色化”和提高众多计算机等电子设备工作稳定性方面，日益发挥出重要的特殊作用。 国际先进公司不断推出各种高频有源功率因数校正器专用IC，有用于微机、显示器、彩电、镇流器的中小功率开关电源PFC控制芯片，也有适合大功率开关电源的FPC控制IC。其中，UC3854、UC3854A/B、UC3855A/B等仍然是厂家常用的品牌，它们是最先推出的高性能PFC。 但近几年在国内电子和电源类专业杂志上，尚欠缺对上述几种常见PFC专用集成电路的基本功能设计、电气参数、极限值与特性曲线、一些重要的性能优化分析等文章。本文将分4部分对它们作详细介绍，内容均参照Unitrode公司的产品手册和Internet网上资料，并作了适当改编。 2UC3854A/B对UC3854的改进与异同点比较 高性能功率因数校正器UC3854A和UC3854B，是在原工业级标准产品UC3854的基础上改进的产品，新PFC控制IC的器件引脚和基本功能与原 UC3854兼容，而其特性有了多处改进。其中，UC3854A可用于原有的UC3854产品大多数PFC设计，无需修改印刷电路板。新的PFC预调节器设计和现有器件的升级，能实现增强的性能，并以最少的设计工作量减少部件数量和IC外部元件。 UC3854A/B对UC3854的改进主要有如下几点： （1）具有更宽的频带； （2）设置了低失调电流放大器； （3）具备更快的响应和改良了精度的使能比较器； （4）有一个VREF优质比较器； （5）欠压锁定门限电平或供选择：离线式为 16V/10V；辅助12V稳压器启动值为105V/10V； （6）具有低的启动电源电流； （7）设置了一个增强的乘法/除法电路。 表13种PFC控制器主要电气参数对照表
改变现有的PFC设计，由UC3854改用3854A或UC3854B，将从控制电路中减少5只元件：（1）用于箝位电压放大器输出的 1只二极管；（2）用于箝位电流放大器输出的1只齐纳二极管；（3）接IAC端作6V幅值补偿偏置电流的1只电阻器；（4）从VCC到电流放大器输入端的 1只电阻器，它能适应＋4mV失调电压的最坏情况；（5）1只肖特基二极管用于箝位过流保护输入（PKLMT），它是在PFC预调节器过功率期间该脚远低于地电平时起作用。 由VSENSE接地的输出电压分压器反馈电阻值，必须降低到适应放大器基准电压已从75V降到30V的变化。大多数应用中，现有产品的印刷电路板无需改动即可设置新器件。 改进的乘法器输出和电流放大器输入的共模输入范围，允许设计者在选择电流检测方法时，能有更大的灵活性。与前者不同之处还有RSET只控制振荡器的充电电流，而不影响箝位最大乘法器输出电流。该电流现在被箝位在最大值2·IAC（在所有时间里），它简化了设计过程，并且在节电降压和极低的电网电压条件下，它提供了折迭功率限制。 在特性表中列出了具有1％误差的75V基准电压，固定频率振荡器，脉宽调制器PWM，有软启动的电压放大器，电网电压前馈（VRMS的平方值），输入电源电压箝位，以及过电流比较器等。 3用UC3854A组成的250W功率因数校正整机电路图与阻容元件 图1示出用UC3854A组成的250W功率因数校正整机电路图，表2示出用UC3854A组成的250W功率因数校正电路的阻容元件及数值。 表2用UC3854A组成的250W功率因数 校正电路中的阻容元件
本设计的注意力集中在工业级标准的UC3854高功率因数升压控制器的较大改进上，新的UC3854A/B不需外部元器件来箝位电压、电流误差放大器输出，并优化一些传感电路的电压电平。 要理解用UC3854A/B和用较新的UC3855A/BZVT高功率因数控制器会有功率限制，请注意乘法器输出电流的最大值并不直接正比于Rset电阻器 图1用UC3854A组成的250W功率因数校正整机电路图 图2理想的
图3在典型的PFC应用中乘法器设置的元器件 的电流。换句话说，要限制它等于或小于两倍的IAC电流瞬时值。这一新特点提供了一个很微妙和有效的方法，以限制功率因数校正器前端的输入功率，使变换器仍维持正弦输入电流波形。这里要强调的是，UC3854A/B的功率限制电路产生正弦输入电流波形，即使负载象DC－DC变换器是一个负阻抗。 在这些情况下，要特别注意保证在所有工作平衡时，升压功率因数变换器的输出电压大于输入线电压的峰值。通过设置DC－DC变换器的功率限制，就能保证它低于PFC级的最大功率控制能力。 为了给乘法器的调节确立一个直接的设计程序，首先要列出基本的关系式。乘法器输出电流IMO与 IAC电流的比例，在一个交流输入周期中是恒定不变的，因为： 上式中，VRMS是交流输入电压的有效值； VEA是电压误差放大器的饱和电压（VOH）； K是乘法器常数（K=1）； A是IC的VRMS脚的分压器的比例系数。所以，IMO（t）与IAC（t）的比例为： 该值只由输入电压的有效值和电网周期内的停留常数来确定。 在完成良好设计的情况下，当输入电压最小时，比例将等于2或大些，此时仍希望提供按比例的输出功率。图2中的曲线表明了IMO与IAC 的优化比例，它是归一化的输入电压的函数。曲线的水平轴是在最小网电压和满载时归一化得出的。在数值低于单位1时，变换器将工作在功率限制状态。 为了达到正确的功率限制，图3所示的电路表明了元器件必须进行计算。 （1）按最大输入电压峰值和允许的最高IAC值计算RAC，即 在数据记录中给出上式的IACmax≤600μA。 （2）公式（2）中的因数A，可由特定的最小输入电压值来确定，此时，电路提供满额定功率。这表明电压误差放大器的输出VEA将要饱和，IMO将处于理论上的最大值，即2×IACmax。所需的A值可由（3）式表达，要用前面陈述的条件。 现在，公式（2）中的每个参数都已给出，而IMO对于所有的工作条件都是已知的。 （3）下一步是计算乘法器电流的峰值IMOmax，在最小输入电压VRMSmin时计算。 根据公式（2）、（4）、（5），得出下式： （4）IMOmax将确定输入电流的最大值IINpeak，它出现在最小电网电压VRMSmin和最大负载时。所需的峰值输入电流由下式给出： IMOmax与IINpeak之间的关系可由两个电阻器Rsense和RMO按下式确定： （5）假定Rsense根据允许的电阻器功耗已做了选择，这次的参数是由（6）、（7）、（8）式计算RMO的值，即 在所有的设计参数确定之后，可计算归一化输入有效电流值和归一化输入功率，作为归一化输入电压的函数。 如图4中的曲线所示，在整个输入电压范围内，用UC3854A/B高功率因数控制器IC可实现精确的、恒定的功率限制。它由输入电压前馈项产生，见乘法器方程式（2）。 5设计举例 下述例子具体说明了怎样完成上述程序。该设计例子的初始参数如下： VIN=70...132VACRMS VINmin=90VACRMS（此时仍可得到满输出功率） POUT=250W（负载变换器的功率限制） PLIMIT=275W（设置PFC功率限制高于负载变换器10％） η=0.95（需要的效率） 为了最佳结果，需要遵循下面给出的逐步设计指导。 步骤1 步骤2 步骤3 步骤4 步骤5假设电流检测电阻器的最大功耗PRS=0.5W，则 RSENSE=47mΩ 步骤6 这是几乎完美的设计，展现了在全部工作输入电压范围内所需要的功率限制特性。上述计算可容与最大输入电流值（均归一化） 图4作为输入电压函数的功率限制 图5IAC和IMO（μA）是输入电压有效值的函数 图6输入功率（W）和输入电流有效值（A） （乘100适合相同标度）是输入电压有效值的函数易编写在Mathcad工作书页附录中。 6附录 该MathCAD文件在宽输入电压范围应用中计算了UC3854A/B和UC3855A/B高功率因数控制器的功率限制特性。 6．1输入参数 VINmin：=70V:控制器开始工作的输入电压有效值 VINlim：=90V:电路应提供额定输出功率的最小输入电压有效值 VINmax：=270V:最大输入电压有效值 PLIM：=275W:负载功率要求的110％ η：=0.93％:功率因数控制级（PFC）期望的效率 IACmax：=600·10－6=600μA:在数据记录中明确的IAC电流最大值 VEAsat：=6V:当电压放大器处在高度饱和时的输出电压 K：=1:在数据记录中给出的乘法器常数 RS：=0.047=47mΩ:按原允许最大功耗确定的电流传感电阻器值 6．2设计程序 步骤1估算RAC电阻。 选择最接近的偏高标准值：RAC=680kΩ 步骤2输入电压有效值与IC8脚的VRMS的分压器比例。 6．3设计核实 (1)步骤=20:计算的要点数目。i=0～……步骤。步骤可以改变。 (2)输入电压范围定义： (5)如果IMORMSest(i)>2·IACRMS(i),那么， IMORMS(i)=2·IACRMS(i),IMORMSest(i) (6)按乘法器输出电流的限制，来计算最大输入电流电平有效值:IINRMS(i):=IINRMS(i)·(RMO/RS) (7)功率因数校正器的功率限制为: PINmax(i):=VINRMS(i)m·IINRMS(i) 6．4所得数据的图解表达 |
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比例 
（1）
（2） 
(3) 
（4） 
(5) 
(6) 
（7） 
(8) 
（9） 
RAC=330kΩ 
A=16.67mV/VRMS 
IMOmax=771.4μA 
IINpeak=4.55A 
(10)
RMO=270Ω 
RACest=6.364·105 
步骤3确定乘法器最大输出电流。它出现在最小输入电压幅度仍可得到满额定功率时的电网馈线周期的峰值处。
步骤4计算最大峰值输入电流值，它由额定输出功率和最小输出电压仍可得到满额定功率时来确定。
步骤5估算RMO,并按标准选靠近值。
，取560Ω。 
(3)IAC电流是输入电压的函数:
(4)IMO电流由输入电压定义，并用限制：
IMO>2·IAC,