1引言

　　功率因數(shù)校正（PFC" title="PFC">PFC）技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)各種電源裝置電網(wǎng)側(cè)電流正弦化，使電網(wǎng)資源得到充分利用，基本上消除負(fù)載對(duì)電網(wǎng)、負(fù)載對(duì)負(fù)載之間的高次諧波污染，凈化電網(wǎng)。單相PFC已進(jìn)入實(shí)用階段，實(shí)現(xiàn)方式多種多樣，較為常見(jiàn)的有用UC3854為控制IC設(shè)計(jì)的3kW以下的PFC電路，但該電路較為復(fù)雜，外圍元件多，特別是小功率的應(yīng)用，如150W，該電路就顯得復(fù)雜，成本高。本文介紹了用TOPSwitch設(shè)計(jì)的功率150W以下簡(jiǎn)捷的PFC電路設(shè)計(jì)。

2TOPSwitch在PFC中應(yīng)用的設(shè)計(jì)原理

　　TOPSwitch為三端脈寬調(diào)制（PWM" title="PWM">PWM）開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)相同的功能，TOPSwitch外圍元件最少。并且TOPSwitch具有開(kāi)關(guān)電源所有必須的功能，內(nèi)含功率MOSFET，PWM控制器，內(nèi)起動(dòng)電路，環(huán)路補(bǔ)償和熱關(guān)斷電路。所以它能使電源電路得以進(jìn)一步簡(jiǎn)化，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，此為T(mén)OPSwitch設(shè)計(jì)的最大優(yōu)點(diǎn)，并且TOPSwitch設(shè)計(jì)電源電路保證高的電源效率。

　　圖1為一個(gè)簡(jiǎn)單的應(yīng)用TOPSwitch設(shè)計(jì)的升壓型PFC電路，TOPSwitch工作頻率為100kHz，遠(yuǎn)高于電網(wǎng)頻率，通過(guò)電源濾波器在電網(wǎng)側(cè)可以實(shí)現(xiàn)正弦輸入電流波形，并且與輸入電壓的波形同相。這個(gè)電路在提升電感上產(chǎn)生的波形示意圖如圖2所示。虛線為經(jīng)過(guò)電源濾波器在電網(wǎng)側(cè)出現(xiàn)的電流波形。該波形就是開(kāi)關(guān)管工作在電流斷續(xù)狀態(tài)下產(chǎn)生的。在提升電感、TOPSwitch和提升二極管上的電流IL、IT、ID如圖3所示。在這個(gè)電路中IL=IT＋I(xiàn)D，IL的電流波形即為IT和ID電流波形的簡(jiǎn)單疊加，圖4為平滑后的理想波形，圖5為實(shí)際測(cè)試的波形。從圖中可以看出，在固定周期的情況下，它的電流與正弦電流相差較大，經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后的輸入電流實(shí)際測(cè)試波形如圖6所示。總諧波失真（THD）不超過(guò)18％，功率因數(shù)（PF）為0.978。

圖1應(yīng)用TOPSwitch設(shè)計(jì)的升壓型PFC電路

圖2流過(guò)提升電感的電流波形示意圖

圖3IL、IT、ID波形

圖4理想波形

圖5實(shí)測(cè)波形

圖6經(jīng)補(bǔ)償后的實(shí)測(cè)電流波形

　　TOPSwitch各開(kāi)關(guān)周期的平均值IT(avg)可用公式（1）和（2）計(jì)算出來(lái)。公式中T為一個(gè)工作周期，IPK為T(mén)OPSwitch峰值電流，Uin是各個(gè)開(kāi)關(guān)周期整流后交流輸入電壓瞬時(shí)值，fS是開(kāi)關(guān)頻率，LP是自感系數(shù)。

IT=IPK(T/2)(1)

　　第N個(gè)開(kāi)關(guān)周期二極管上電流平均值ID（avg）用公式（3）求出，UO為直流輸出電壓，

　　這兩個(gè)平均電流之和為電感電流平均值IL（avg）。交流輸入瞬時(shí)電壓，要求一個(gè)平均電流值與其對(duì)應(yīng)。這個(gè)平均電流值將被作為100kHz開(kāi)關(guān)電流波形的平均值來(lái)校正，與其相應(yīng)的，可采用隨輸入電壓瞬時(shí)值調(diào)占空比D的方式，即預(yù)補(bǔ)償" title="預(yù)補(bǔ)償">預(yù)補(bǔ)償。工作周期T可用公式（5）進(jìn)行計(jì)算。

3預(yù)補(bǔ)償原理

　　對(duì)MOSFET用恒頻恒占空比控制方式的缺點(diǎn)，如圖7所示，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)IL平均值不隨整流后電壓瞬時(shí)值線性變化，即：輸入電壓瞬時(shí)值上升后，平均值上升更快。這樣經(jīng)過(guò)電源濾波后，產(chǎn)生如圖4所示的非正弦波形，為了使電流波形進(jìn)一步正弦化，可以采用預(yù)補(bǔ)償?shù)姆绞?，即采用恒頻非恒占空比的控制方式。

　　產(chǎn)生這種結(jié)果的原因是：在TOPSwitch的整個(gè)工作過(guò)程中，提升電感上的電流是TOPSwitch上電流和提升二極管電流的代數(shù)和（見(jiàn)公式IL=IT＋I(xiàn)D），TOPSwitch上的電流隨著整流后的輸入電壓呈線性關(guān)系，平滑后是正弦電流?？墒翘嵘O管上的電流隨著輸入電壓的升高迅速上升，呈非線性關(guān)系，平滑后不是正弦電流。這樣疊加的結(jié)果使提升電感上的電流就不是正弦的。因?yàn)樘嵘O管上的電流不受控，所以要想改善提升電感上電流波形，就只能通過(guò)控制IC改善TOPSwitch的電流波形，使TOPSwitch上的波形不是一個(gè)正弦波，來(lái)補(bǔ)償提升二極管不是正弦波的缺陷。這個(gè)問(wèn)題是很多無(wú)乘法器的控制IC在boost電路中普遍存在的問(wèn)題，這些都可以通過(guò)預(yù)補(bǔ)償?shù)姆绞降靡愿纳啤８纳频年P(guān)鍵就是選擇合適的預(yù)補(bǔ)償電阻。

　　在輸入高電壓時(shí)減小IT的占空比，這樣使得IL的波形就不再是像圖4所示。經(jīng)過(guò)補(bǔ)償?shù)碾娏鞑ㄐ稳鐖D6所示，這樣IL的波形已經(jīng)近似于正弦波，電路原理圖如圖8所示，通過(guò)預(yù)補(bǔ)償電阻R1和直接輸出電壓檢測(cè)電路控制流入TOPSwitch控制腳的電流，使TOPSwitch的調(diào)制方式變成恒頻非恒占空比的方式，達(dá)到較為理想的PFC。占空比隨瞬時(shí)輸入電壓變化呈線性關(guān)系，TOPSwitch具有電流線性控制占空比變換器，當(dāng)流入TOPSwitch控制引腳的電流在2.0～6.0mA范圍內(nèi)增大時(shí)，TOPSwitch的占空比將從67％下降到1.7％，所以通過(guò)預(yù)補(bǔ)償電阻來(lái)控制部分TOPSwitch控制引腳的電流來(lái)控制占空比。預(yù)補(bǔ)償電阻的選擇是很重要的（后文對(duì)預(yù)補(bǔ)償電阻的選擇有論述）。當(dāng)整流后的電壓最低時(shí)，TOPSwitch的控制引腳通過(guò)預(yù)補(bǔ)償電阻R1泄放電流，使流入控制引腳的電流減小，這時(shí)TOPSwitch的占空比最大；隨著整流后的輸入電壓的增高，流入TOPSwitch控制引腳的電流

圖7預(yù)補(bǔ)償前后TOPSwitch上的電流示意圖

圖8有預(yù)補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用TOPSwitch的PFC電路原理圖

也將逐漸增加，TOPSwitch的占空比逐漸減小，當(dāng)輸入電壓達(dá)到最高時(shí)，TOPSwitch的占空比最小，這就完成了恒頻非恒占空比的控制方式。在示意圖圖7中可以看出，預(yù)補(bǔ)償以后，由于TOPSwitch上的電流減小了，使得在提升電感上的電流三角形的面積小于預(yù)補(bǔ)償以前的，電流的平均值也就減小了，平滑后的電流波形也就接近正弦波形了，如圖9所示。占空比隨著瞬時(shí)輸入電壓的變化而變化。這時(shí)THD<7％ ， PF為 0.98。 4 元 器 件 的 選 擇 與 參 數(shù) 計(jì) 算

　?。?）TOPSwitch的選擇表（見(jiàn)下表）

　　（2）預(yù)補(bǔ)償電阻R1的計(jì)算

　　可利用公式（6）進(jìn)行計(jì)算預(yù)補(bǔ)償電阻R1（kΩ）

R1=APWM/SDV(6)

　　式中APWM是TOPSwitch占空比控制電流增益，為百分之十幾/mA（一般典型值為16％/mA），SDV是測(cè)試的交流整流后的輸入電壓與占空比直線的斜率，可定為SDV=－0.067％/V，預(yù)補(bǔ)償電阻R1也可以通過(guò)曲線計(jì)算出來(lái)，直流輸出電壓曲線和預(yù)補(bǔ)償電阻的關(guān)系如圖10所示。

　　（3）電感線圈的計(jì)算

圖9有預(yù)補(bǔ)償平滑后的電流波形

圖10預(yù)補(bǔ)償電阻與直流輸出電壓的關(guān)系曲線

　　電感值在設(shè)計(jì)中是至關(guān)重要的，可以通過(guò)查曲線的方式得到電感值。電感值的曲線如圖11所示。

圖11提升電感值與輸出功率、直流輸出電壓的關(guān)系曲線

5結(jié)論

　　150W以下的PFC在各項(xiàng)指標(biāo)均接近的情況下，用TOPSwitch實(shí)現(xiàn)，只用17個(gè)元件；用UC3852實(shí)現(xiàn)為23個(gè)元件；用KA7524實(shí)現(xiàn)為27個(gè)元件。而且TOPSwitch的電感不需要輔助繞組，電路簡(jiǎn)單緊湊。