一種用于PFC的模擬乘法器設(shè)計(jì)

隨著家庭用電設(shè)備越來(lái)越多，大量的電流諧波分量倒流入電網(wǎng)，造成電網(wǎng)的諧波“污染”。為了抑制這些電流諧波分量，采用功率因素校正技術(shù)(PFC)。目前對(duì)功率因素校正技術(shù)的研究取得了許多成果，其中，在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面，Boost型PFC技術(shù)已經(jīng)完善，在控制方面，以電流環(huán)、電壓環(huán)的雙環(huán)控制比較成熟。模擬乘法器的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)輸入電流跟隨輸入電壓重要的一部分，通過(guò)對(duì)乘法器的輸出與電感電流的峰值比較，在變頻控制下，控制功率開(kāi)關(guān)管的打開(kāi)，使開(kāi)啟時(shí)間固定為一個(gè)常數(shù)，功率因素理論上為單位值。

1 變頻控制的基本原理

為了得到理論上等于1的功率因素，Boost型PFC通常采用變頻控制法。在Boost拓?fù)潆娐分?，電感電流等于輸入電流。在變頻控制下，電感電流(即輸入電流)的平均值為：

從式(1)可以看到，如果功率管開(kāi)啟時(shí)間TON始終是一個(gè)同定值，電感電流的平均值與輸入電壓VI成正比，功率因素在理論上將為1，這就是變頻控制的基本原理。由于電感始終處在臨界導(dǎo)電模式，所以義稱(chēng)臨界導(dǎo)電控制法。

2 乘法器在變頻控制中的作用

為了在Boost型電路中實(shí)現(xiàn)功率管開(kāi)啟時(shí)間為定值，引進(jìn)了模擬乘法器。在PFC工作在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，模擬乘法器的輸出電壓VMULT與電感電流檢測(cè)電阻Rs上的電壓VRs比較，當(dāng)VMULT小于VRs時(shí)，功率管關(guān)斷，因而開(kāi)啟時(shí)間固定。乘法器的輸出電壓為：

式中，k是一個(gè)常數(shù)值，Vc在穩(wěn)定工作狀態(tài)下也近乎常數(shù)值。

很明顯，開(kāi)啟時(shí)間和輸入電壓無(wú)關(guān)，只和常系數(shù)k、電感L和檢測(cè)電阻Rs有關(guān)。

3 乘法器

3．1 乘法器的基本原理

根據(jù)圖1所示的乘法器的基本結(jié)構(gòu)，VQ3和VQ4組成一個(gè)共射差分對(duì)，電流源Iss提供差分對(duì)電流偏置，VQ5、VQ6作為差分對(duì)的有源負(fù)載。VQ3和VQ4是完全相同的三極管，Vid2>0，根據(jù)推導(dǎo)，

VQ3和VQ4的集電極電流差通過(guò)VQ7、VQ8和VQ9組成的鏡像電流源鏡像到VQ1和VQ2的共射極端，給VQ1和VQ2提供偏置電流，因此，

同樣，完全相同的VQ1和VQ2也組成一個(gè)共射差分對(duì)，IEE為這兩個(gè)管子提供偏置電流。Vid1>0，可得：

當(dāng)(Ic1-Ic2)這個(gè)電流差流過(guò)1只取樣電阻，2個(gè)輸入電壓的乘積結(jié)果就是1個(gè)電壓值。

3．2 電壓衰減電路

要使乘法器能夠正常工作，2個(gè)輸入信號(hào)電壓必須小于2VT，這樣將大大縮小輸入電壓范圍，也就大大限制了電路應(yīng)用。為了擴(kuò)大輸入電壓的輸入范圍。必須把輸入電壓進(jìn)行線(xiàn)性衰減，使衰減后的輸入電壓滿(mǎn)足小于2VT，從而能夠?qū)崿F(xiàn)乘法功能。因此，在乘法器的輸入端加入了一個(gè)電壓衰減電路。基本的電壓衰減電路如圖2所示。

雙極管VQ3和VQ4完全一樣，VQ1和VQ2也是相同，電流源I為電路提供電流偏置，輸入V1和輸出V0的關(guān)系式為：

只要調(diào)整R或I的值，輸入電壓就可以得到很好衰減。

3．3 偏置電路

電流偏置電路如圖3所示。VQ3、VQ4和R1、R2組成基本的鏡像電流電路，VQ2為了減小電流增益β對(duì)電路的影響。晶體管的集電極電流為：

式中，Iss是發(fā)射極反向飽和電流，與發(fā)射極的橫截面積成正比。

VQ3和VQ4的VEB相等，R1的阻值是R2的2倍，但是VQ4的發(fā)射極的橫截面積是VQ3的2倍，因此，輸出的電流I是VQ1的集電極的2倍。所以，想要得到數(shù)倍于VQ1集電極電流，可調(diào)整VQ4的電阻值和發(fā)射極的橫截面積。

4 仿真結(jié)果

圖4為Cadence的仿真結(jié)果。仿真條件為Vdd=7V，Vbias=2．5 V，乘法器的一端輸入為全橋整流后幅度為3 V的正弦波，另一端輸入為直流電壓1 V?？梢钥吹?，輸出波形是與輸入同頻同相的半正弦波，幅度是1．2 V。

5 結(jié)束語(yǔ)

詳細(xì)分析了乘法器電路的工作原理。根據(jù)電路應(yīng)用的需要，靈活調(diào)整電阻值R0、電流I1和I2的值。此電路可廣泛應(yīng)用于需要乘法器單元的電流控制PFC電路。