獨(dú)立PFC的高性價(jià)比輔助電源設(shè)計(jì)

摘 要：PFC的研究已經(jīng)從如何實(shí)現(xiàn)高PF值、降低THD等基本功能向數(shù)字化、高功率密度和高性價(jià)比等方向發(fā)展。輔助電源作為PFC的重要組成部分，其性價(jià)比成本對整機(jī)性價(jià)比有相當(dāng)?shù)挠绊憽ａ槍?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/獨(dú)立PFC">獨(dú)立PFC的控制芯片，本文設(shè)計(jì)了一款高性價(jià)比的輔助電源。

關(guān)鍵詞：獨(dú)立PFC；高性價(jià)比；輔助電源

1 概述

自 IEC61000-3-2 標(biāo)準(zhǔn)頒布后，功率因素校正器 (power factor corrector, PFC) 已經(jīng)從研究熱點(diǎn)逐漸變成眾多電子電氣設(shè)備的標(biāo)配。PFC 的研究方向也從如何提高 PF 值 ( 功率因數(shù)的大小 )、降低 THD( 總諧波失真 ) 向數(shù)字化、高功率密度和高性價(jià)比等方向轉(zhuǎn)變。

在各種 PFC 的實(shí)現(xiàn)電路中，最基本的是使用 BOOST 拓?fù)浠蚱涓倪M(jìn)電路實(shí)現(xiàn)的有源功率因數(shù)校正器。PFC 的控制芯片，無論是微控制器還是電源管理芯片，都需要輔助電源供電。輔助電源的實(shí)現(xiàn)，一般利用 PFC 后級(jí)隔離電源（如反激式變換器）的變壓器輔助繞組進(jìn)行簡單整流、濾波。然而在有些應(yīng)用中，PFC 是模塊化的或直接接負(fù)載（這類 PFC 本文稱之為獨(dú)立 PFC），無法利用變壓器輔助繞組，這就需要設(shè)計(jì)輔助電源。

獨(dú)立 PFC 的輔助電源，根據(jù)具體的應(yīng)用場合有不同的實(shí)現(xiàn)方法，例如，在實(shí)驗(yàn)室中可以直接應(yīng)用線性電源設(shè)備，在大功率設(shè)備中，可以使用電源模塊作為輔助電源。

針對獨(dú)立 PFC 的輔助電源，本文將分別介紹線性電源方案、開關(guān)電源方案和輔助繞組方案，最后結(jié)合具體的產(chǎn)品，設(shè)計(jì)一款高性價(jià)比的輔助電源。

2 線性電源方案

線性電源方案是最成熟的電源方案，具有精度高、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，也有效率低、體積大等缺點(diǎn)。針對獨(dú)立 PFC 的輔助電源，常用的線性電源方案有兩個(gè)：低頻變壓器方案和 BJT( 雙極性三極管）方案。

低頻變壓器方案，直接利用低頻變壓器對市電進(jìn)行降壓，然后用三端穩(wěn)壓器進(jìn)行穩(wěn)壓，具有電路簡單、變壓器體積大、成本高的特點(diǎn)。BJT 穩(wěn)壓方案 , 利用 BJT 對市電整流后的高壓進(jìn)行線性調(diào)整、然后用穩(wěn)壓二極管進(jìn)行穩(wěn)壓，具有電路簡單、效率低、散熱器體積大的特點(diǎn)。

3 開關(guān)電源方案

通常，獨(dú)立 PFC 的輸入是市電 ( 交流 220 V±20%)，整流濾波后的電壓為 249 ～ 342 V，輸出電壓為 400 V 左右。輔助電源的輸出電壓為 15 V 左右，這種高輸入電壓低輸出電壓的場合，特別適合用開關(guān)電源。針對獨(dú)立 PFC 的輔助電源，常用的拓?fù)溆?FLYBACK( 反激式 變換器 ) 和 BUCK（降壓變換器）。

FLYBACK 拓?fù)涑墒臁⑿矢?、可靠性高，但此拓?fù)湫枰玫阶儔浩鳎杀据^高、體積較大。BUCK 拓?fù)潆娐泛唵?，效率高、體積小，但是輸入輸出壓差大，占空比小，可靠性差。

4 輔助繞組方案

對于獨(dú)立 PFC 來說，由于沒有后級(jí)隔離電源，因而無法直接使用變壓器的輔助繞組來實(shí)現(xiàn)輔助電源。慶幸的是，PFC 自身帶有一個(gè)升壓儲(chǔ)能電感，可以考慮在此電感上增加一個(gè)繞組，來實(shí)現(xiàn)輔助電源。

下面以基于英飛凌的 ICE3PCS03G 方案設(shè)計(jì)的一款 60 W 獨(dú)立 PFC 為例，對輔助繞組方案進(jìn)行較為詳細(xì)的介紹，PFC 電路原理圖如圖 1。

在 PFC 主電感 L1 的磁芯上增加 1 個(gè)繞組，形成 1 個(gè)變壓器 T1，其初級(jí)繞組就是 L1，次級(jí)繞組作為輔助電源的輸入。在 PFC 啟動(dòng)前，升壓電感 L1 兩端的壓差較小且為直流，無法實(shí)現(xiàn)變壓。因此，此無論變壓器繞組的匝比和同名端如何，都無法實(shí)現(xiàn)輔助電源。解決的辦法是，以整流后的電壓 V_REC 為電源、通過啟動(dòng)電阻 R11 和 R12 對電解電容 CD11 進(jìn)行充電，先啟動(dòng) PFC。一旦 PFC 啟動(dòng)，V_out 即為穩(wěn)定的 400 V 電壓，VR 為穩(wěn)定的半正弦波，VQ 為 0 ～ 400 V 的矩形波。此后，升壓電感 L1 兩端（即變壓器 T1 的初級(jí)）就有了交流電壓，變壓器次級(jí)也就有了交流電壓，經(jīng)過整流、濾波和穩(wěn)壓就能實(shí)現(xiàn)輔助電源了。下面對輔助電源的電路和參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

按照電磁感應(yīng)定律的相關(guān)理論并結(jié)合同名端的設(shè)計(jì)，可知：

T 為 MOS 管的開關(guān)周期；D 為 PFC 的占空比； N 為 自 然 數(shù)，V_out 為 PFC 的輸出；VR 為 L1 前端電壓；VQ 為 L1 后 端電壓（忽略二極管的壓降，當(dāng) MOS 管 Q1 關(guān)斷時(shí)，VQ = 400 V ）；Vaux 為變壓器次級(jí)輸出電壓，Vaux 的波形如圖 2。

這是一個(gè)峰值為VR×N2 / N1、谷值為（VR-400）×N2 / N1、頻率為 100 Hz 低頻疊加 65 kHz高頻的準(zhǔn)周期波。

圖5 獨(dú)立PFC的高性價(jià)比輔助電源電路

此輔助電源所用的電路技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定，所用的物料均為成本很低的常規(guī)物料，所以性價(jià)比很高。另外，此輔助電源沒有用到體積大的散熱器、變壓器（輔助繞組不增加體積、只是增加兩個(gè)焊點(diǎn)）和成本高的 IC、MOS 等，因此也有利于節(jié)省整機(jī)的空間和成本。采用高性價(jià)比輔助電源得到的輔助電源波形如圖 6。

圖6 V_CC波形

V_CC 的實(shí)測值為穩(wěn)定的 15.4 V，在穩(wěn)壓二極管 Z11(BZT52C15)工作電壓的正常范圍之內(nèi) (14.25 ～ 15.75 V)，設(shè)計(jì)合理。

6 結(jié)束語

本文以具體應(yīng)用為例，結(jié)合獨(dú)立 PFC 電路本身的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款高性價(jià)比的輔助電源。此輔助電源適用于功率較小（如 200 W 以下）、輸入電壓范圍較窄（如 176 Vac ～ 242 Vac），且要求體積小、成本低的獨(dú)立 PFC。對于其它應(yīng)用場合，需要根據(jù)客戶對產(chǎn)品的具體要求，設(shè)計(jì)相應(yīng)的輔助電源。

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(注：本文轉(zhuǎn)載自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年11月期)