基于提高數(shù)字無橋PFC拓撲的高性能電源設(shè)計性能分析

就一個在穩(wěn)態(tài)工作的升壓型轉(zhuǎn)換器而言，升壓電感的二次電壓應(yīng)在每一開關(guān)周期內(nèi)都保持平衡：

通過(3)式，平均電感電流Iave被表示成瞬時開關(guān)電流Isense.期望電流Iave和Isense為電流控制環(huán)路的電流參考。檢測到實際的瞬時開關(guān)電流后，與該參考對比，誤差被送至一個快速誤差A(yù)DC(EADC)，最后，將數(shù)字化的誤差信號傳送至一個數(shù)字補償器，以關(guān)閉電流控制環(huán)路。動態(tài)調(diào)節(jié)環(huán)路補償器

總諧波失真(THD)和功率因數(shù)(PF)是兩個判定PFC性能非常重要的標準。一個好的環(huán)路補償器應(yīng)該具有較好的THD和PF.不過，由于PFC的輸入范圍非常寬，它可以從80Vac擴展至高達265Vac，因此，在低壓線路擁有較高性能的補償器，在高壓線路上可能無法很好工作。最好的方法是根據(jù)輸入電壓相應(yīng)地調(diào)節(jié)環(huán)路補償器。這對模擬控制器來說，可能是一項不可能完成的任務(wù)，但對于一些數(shù)字控制器(例如：UCD3020)來說，則可以輕松實現(xiàn)。

該芯片中的數(shù)字補償器是一種數(shù)字濾波器，它由一個與一階IIR濾波器級聯(lián)的二階無限脈沖響應(yīng)(IIR)濾波器組成。控制參數(shù)(即所謂的系數(shù))被保存在一組寄存器中。該寄存器組被稱作存儲體(bank)。共有兩個這樣的存儲體，并且它們可以存儲不同的系數(shù)。任何時候，只有一個存儲體的系數(shù)有效并用于補償計算，而另一個則處于非工作狀態(tài)。固件始終都可以向非工作存儲體加載新的系數(shù)。在PFC工作期間，可以在任何時候調(diào)換系數(shù)存儲體，以便允許補償器使用不同的控制參數(shù)，以以適應(yīng)不同的運行狀態(tài)。

圖5 低壓線路的VIN和IIN波形(VIN=110V，負載=1100W，THD=2.23%，PF=0.998)

有了這種靈活性以后，我們可以存儲兩個不同的系數(shù)組(一個用于低壓線路，另一個用于高壓線路)，并根據(jù)輸入電壓交換系數(shù)。環(huán)路帶寬、相位裕度和增益裕度在低壓線路和高壓線路下都可優(yōu)化。利用這種動態(tài)調(diào)節(jié)的控制環(huán)路系數(shù)，并使用固件補償變流器可能出現(xiàn)的偏移，可以極大改善THD和PF.圖5、6是基于1100W無橋PFC的測試結(jié)果，在低壓線路上的THD為2.23%，高壓線路上的THD為2.27%，而PF則分別為0.998和0.996。

圖6 高壓線路的VIN和IIN波形(VIN=220V，負載=1100W，THD=2.27%，PF=0.996)改善輕載時的PF

每個PFC在輸入端都有一個電磁干擾(EMI)濾波器。EMI濾波器的X電容會引起AC輸入電流超前AC電壓，從而影響PF.在輕載和高壓線路下，這種情況將變得更糟糕：PF很難滿足嚴格的規(guī)范。要想增加輕載時的PF，我們需要相應(yīng)地強制電流延遲。我們?nèi)绾螌崿F(xiàn)呢？

圖7 測量到的VIN無延遲

我們知道，PFC電流控制環(huán)路不斷嘗試強制電流與其參考匹配。該參考基本上是AC電壓信號，只是大小不同。因此，如果我們能夠延遲電壓檢測信號，并將延遲后的電壓信號用于電流參考生成，便可以讓電流延遲，來匹配AC電壓信號，從而使PF得到改善。這對一個模擬控制器來說比較困難，但對數(shù)字控制而言，只需幾行代碼便可以實現(xiàn)。

圖8 測量到的VIN被延遲300us

首先，輸入AC電壓通過ADC測量。固件讀取測量到的電壓信號，再加上一些延遲，然后使用延遲后的信號來生成電流參考。圖7、8顯示了1100W無橋PFC的測試結(jié)果。在該測試中，VIN=220V，VOUT=360V，而負載=108W(約滿載的10%)。通道1為IIN，通道2為VIN，通道4為帶延遲的測量到的VIN信號。圖7中，測量到的VIN沒有增加延遲，PF=0.86，THD=8.8%.而在圖8中，測量到的VIN信號被延遲了300us，這種情況下，PF被改善到0.90.此外，還可以進一步改善PF，但這將以犧牲THD為代價，因為進一步延遲電流參考，將在AC電壓交叉點處產(chǎn)生更多的電流失真。在圖9中，測量到的VIN被延遲了500us，此時，PF被改善到0.92.但是，電流在電壓交叉點處出現(xiàn)了失真。結(jié)果，THD變得更糟糕，達到11.3%。