基于UCC28019的高功率因數(shù)電源

0 引言
    傳統(tǒng)的AC／DC變換采用二極管全橋整流，輸出端直接接大容量電容濾波器，造成交流電源輸入電流中含有大量諧波。諧波電流對(duì)電網(wǎng)有嚴(yán)重的危害，不僅會(huì)使電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變，也會(huì)浪費(fèi)大量的電能。隨著電源綠色化概念的提出，功率因數(shù)校正得到了廣泛應(yīng)用。所謂功率因數(shù)校正，就是指從電路上采取措施，使交流電源輸入電流實(shí)現(xiàn)正弦，并與輸入電壓保持同相。UCC28019是TI公司新近推出的一種功率因數(shù)校正芯片，該芯片采用平均電流模式對(duì)功率因數(shù)進(jìn)行校正，使輸入電流的跟蹤誤差產(chǎn)生的畸變小于1％，實(shí)現(xiàn)了接近于l的功率因數(shù)。本文介紹了UCC28019的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種高功率因數(shù)電源。

l UCC28019簡介
    UCC28019是美國TI公司最新的有源功率因數(shù)校正(PFC)芯片。該芯片采用平均電流模式對(duì)功率因數(shù)進(jìn)行校正，適用于寬范圍通用交流輸入，輸出為100W至2kW的功率因數(shù)變換器。該芯片開關(guān)頻率固定(65kHz)，具有峰值電流限制、軟過流保護(hù)、開環(huán)檢測(cè)、輸入掉電保護(hù)、輸出過壓／欠壓保護(hù)等眾多系統(tǒng)保護(hù)功能。
    1)UCC28019引腳功能
    UCC28019的引腳排列如圖l所示。

    各引腳功能為：
    GND腳——地；
    ICOMP腳——電流環(huán)路補(bǔ)償，跨導(dǎo)電流放大器的輸出端；
    ISENSE腳——電感電流檢測(cè)；
    VINS腳——交流輸入電壓檢測(cè)；
    VCOMP腳——電壓環(huán)路補(bǔ)償，跨導(dǎo)電壓誤差放大器的輸出端；
    VSENSE腳——輸出電壓檢測(cè)；
    VCC腳——電源輸入端；
    GATE腳——柵極驅(qū)動(dòng)輸出端；
    2)UCC28019的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
    UCC28019內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：

    3)UCC28019具體有以下保護(hù)功能
    (1)軟啟動(dòng)(SS)
    (2)VCC腳欠壓鎖定(UVLO)
    (3)輸入掉電保護(hù)(IBOP)
    (4)輸出過壓保護(hù)(OVP)／輸出欠壓保護(hù)(UVD)
    (5)開環(huán)保護(hù)／待機(jī)模式(OLP／Standby)
    (6)過流保護(hù)[!--empirenews.page--]
    4)柵極驅(qū)動(dòng)
    柵極驅(qū)動(dòng)輸出按電流最優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以以較高的開關(guān)速度直接驅(qū)動(dòng)大容量MOSFET的柵極。芯片內(nèi)部的嵌位將MOSFET柵極上的電壓嵌位在12．5V，外部的柵極驅(qū)動(dòng)電阻RGATE限制了柵極驅(qū)動(dòng)電路的寄生電感及寄生電容的上升時(shí)間，并且抑制了振鈴，從而減少了電磁干擾(EMI)。
    5)電流環(huán)路和電壓環(huán)路
    電流環(huán)路由芯片內(nèi)部的平均電流放大器，PWM比較器和芯片外部的升壓電感及電感電流檢測(cè)電阻組成。電壓環(huán)路由芯片內(nèi)部的電壓誤差放大器，非線性增益和芯片外部的輸出電壓檢測(cè)電阻組成。

2 系統(tǒng)的工作原理
    圖3所示的電路方框圖簡單地描述了采用UCC28019作為控制芯片的有源功率因數(shù)校正的工作原理。柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)由電流放大器的輸出信號(hào)和電壓誤差放大器的輸出信號(hào)經(jīng)脈沖寬度比較器調(diào)制而成。當(dāng)系統(tǒng)處于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)，有：

    式中：M1為電流放大器的增益；
    M2為PWM波的斜坡坡度；
    Rsense為電感電流檢測(cè)電阻；
    iLbst為電感平均電流；
    M(D)為升壓變換器的電壓轉(zhuǎn)換比；
    M1、M2由電壓誤差放大器和芯片內(nèi)部參考電壓的差值決定，均可以控制輸入電流的幅值，且兩者的乘積滿足一定關(guān)系。當(dāng)系統(tǒng)處于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)，輸出電壓為定值，M1、M2也為定值，故有控制環(huán)路強(qiáng)迫電感電流跟隨輸入電壓波形以保持升壓調(diào)節(jié)。又因?yàn)閁in為正弦波，因此，電感平均電流同樣為正弦波。

3 電路主要參數(shù)設(shè)計(jì)
    圖4為UCC28019典型應(yīng)用電路原理圖。
    1)開關(guān)器件的選取
    開關(guān)器件的最大峰值電流IDS_PEAK(max)可通過以下公式計(jì)算：

    
    根據(jù)輸出電壓的最大值及最大峰值電流，選擇相應(yīng)的功率場(chǎng)效應(yīng)管。

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    2)輸入濾波電容的選取
    在允許有20％的電感電流紋波IRIPPLE和6％的高頻電壓紋波UIN_RIPPLE的情況下，輸入濾波電容的最大值CIN由輸入電流紋波IRIPPLE和輸入電壓紋波UIN_RIPPLE(max)決定。輸入濾波電容的值可通過以下公式計(jì)算：

   
    根據(jù)計(jì)算所得的電容值，選擇相應(yīng)的電容。
    3)升壓電感的選取
    升壓電感LBST在確定了電感峰值電流的最大值IL_PEAK(max)后作出選擇：

    
    升壓電感的最小值根據(jù)最壞的情況(占空比為0．5)計(jì)算得出：

   
    4)電感電流檢測(cè)電阻的選取
    在電感電流超過最大峰值電流25％時(shí)，ISENSE腳電壓達(dá)到軟過流保護(hù)閾值的最小值，RSENSE將觸發(fā)軟過流保護(hù)。RSENSE可通過以下公式計(jì)算：

   
    此外，為保護(hù)芯片免受沖擊電流的沖擊，在ISENSE腳處串聯(lián)一個(gè)阻值為220Ω的電阻。
    5)輸出電容的選取
    輸出電容COUT通過滿足轉(zhuǎn)換器的延遲要求來計(jì)算。在一個(gè)線性周期內(nèi)，tHOLDUP=l/fLINE(min)，電容的最小值可通過以下公式計(jì)算：

   
    6)電壓反饋電阻的選取
    為降低功耗并使電壓設(shè)置誤差達(dá)到最小，使用1MΩ作為電壓反饋頂部的分壓電阻RFB1，通過內(nèi)部5V的參考電壓URR選取底部的分壓電阻RFB2以滿足輸出電壓的設(shè)計(jì)指標(biāo)：

   
    根據(jù)計(jì)算所得的輸出電容最小值，選擇相應(yīng)的電解電容。

4 設(shè)計(jì)實(shí)例及實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    在分析了UCC28019工作原理及主要參數(shù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種高功率因數(shù)電源，該電源輸入為交流220V，輸出為直流360V，功率為500W。
    交流電源輸入端的電壓和電流波形如圖5所示：

    使用鉗型表測(cè)得該電源的功率因數(shù)為0．991。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的波形和數(shù)據(jù)表明系統(tǒng)正常工作后，諧波含量基本消除，輸入電流波形與輸入電壓波形保持一致。

5 結(jié)束語
    基于UCC28019設(shè)計(jì)的高功率因數(shù)電源具有功率因數(shù)高、諧波含量低的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，該芯片具有應(yīng)用簡單，保護(hù)功能強(qiáng)大，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，調(diào)試簡單等優(yōu)點(diǎn)，是一種非常優(yōu)秀的功率因數(shù)校正芯片。