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。諧波電流對電網(wǎng)有嚴重的危害，不僅會使電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變，也會浪費大量的電能。隨著電源綠色化概念的提出，title="功率因數(shù)">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功率因數(shù)進行校正，使輸入電流的跟蹤誤差產(chǎn)生的畸變小于1％，實現(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功率因數(shù)進行校正，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、開環(huán)檢測、輸入掉電保護、輸出過壓／欠壓保護等眾多系統(tǒng)保護功能。
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)路補償，跨導電流放大器的輸出端；
- ISENSE腳——電感電流檢測；
- VINS腳——交流輸入電壓檢測；
- VCOMP腳——電壓環(huán)路補償，跨導電壓誤差放大器的輸出端；
- VSENSE腳——輸出電壓檢測；
- VCC腳——電源輸入端；
- GATE腳——柵極驅(qū)動輸出端；
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具體有以下保護功能
(1)軟啟動(SS)
(2)VCC腳欠壓鎖定(UVLO)
(3)輸入掉電保護(IBOP)
(4)輸出過壓保護(OVP)／輸出欠壓保護(UVD)
(5)開環(huán)保護／待機模式(OLP／Standby)
(6)過流保護
4)柵極驅(qū)動
柵極驅(qū)動輸出按電流最優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以以較高的開關(guān)速度直接驅(qū)動大容量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)動電阻RGATE限制了柵極驅(qū)動電路的寄生電感及寄生電容的上升時間，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)動信號由電流放大器的輸出信號和電壓誤差放大器的輸出信號經(jīng)脈沖寬度比較器調(diào)制而成。當系統(tǒng)處于準穩(wěn)態(tài)時，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。當系統(tǒng)處于準穩(wěn)態(tài)時，輸出電壓為定值，M1、M2也為定值，故有控制環(huán)路強迫電感電流跟隨輸入電壓波形以保持升壓調(diào)節(jié)。又因為Uin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
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)的功率場效應(yīng)管。
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算：
根據(jù)計算所得的電容值，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)計算得出：
4)電感電流檢測電阻的選取
在電感電流超過最大峰值電流25％時，ISENSE腳電壓達到軟過流保護閾值的最小值，RSENSE將觸發(fā)軟過流保護。RSENSE可通過以下公式計算：
此外，為保護芯片免受沖擊電流的沖擊，在ISENSE腳處串聯(lián)一個阻值為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算。在一個線性周期內(nèi)，tHOLDUP=l/fLINE(min)，電容的最小值可通過以下公式計算：
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)計指標：
根據(jù)計算所得的輸出電容最小值，選擇相應(yīng)的電解電容。
4 設(shè)計實例及實驗結(jié)果
在分析了UCC28019工作原理及主要參數(shù)設(shè)計的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種高功率因數(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：
使用鉗型表測得該電源的功率因數(shù)為0．991。實驗測得的波形和數(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。同時，該芯片具有應(yīng)用簡單，保護功能強大，驅(qū)動能力強，調(diào)試簡單等優(yōu)點，是一種非常優(yōu)秀的功率因數(shù)校正芯片。