基于IR1150的单周期控制PFC的原理与设计

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
摘 要:IR1150是一种新型的单周期PFC控制芯片,它采用的单周期控制(0ne-cycle control,OCC)技术,无需传统PFC电路所需的模拟乘法器、输入电压采样以及固定的三角波振荡器,大大简化了PFC电路的设计和缩小了装置体积。在介绍该芯片的同时对单周期控制原理进行了阐述,并研制了一台基于IR1150的300w实验电路。 关键词:IR1150;功率因数校正;单周期控制 0 引言 开关电源以其效率高、功率密度大而在电源领域中应用越来越广。但传统的桥式整流,大电容滤波的开关电源存在一个致命的弱点:功率因数低,一般为0.45~0.75。而且其无功分量基本上为高次谐波。目前各国都对开关电源装置的输入谐波要求制定了标准,多数开关电源都需要加装PFC级来满足功率因数以及谐波含量的要求。 然而,传统功率因数校正电路技术复杂、设计步骤繁琐、所需元器件多、体积大而且成本高,例如使用经典的UC3854芯片开发的PFC电路。因此,设计时其往往要在性能和成本之间进行折衷。IR公司针对上述情况推出了专用于AC/DC功率因数校正电路的IR1150系列产品。它采用了IR公司的专利单周期控制[1](0ne-cycle control,OCC)技术,不仅简便可靠,而且外围所需元器件少。为PFC电路的设计提供了一种全球适用的优秀解决方案。 1 IR1150控制芯片简介 IR1150控制芯片的管脚排列如图1所示。而管脚功能说明如表1所列。 IR1150是一种连续电流模式PFC控制芯片,仅有8个引脚。它采用了IR公司特有的单周期控制技术,为有源功率因数校正电路提供了一种成本低廉、设计简单的解决方案。如1 KW服务器开关电源中,与传统基于乘法器的CCM系统相比,IR的PFC解决方案可节省40%的电阻电容,节省50%的PFC控制器电路板面积。在功率密度问题上更为突出的小功率应用中,如大功率笔记本和液晶电视适配器,若采用CCM模式的IR1150控制器,则意味着降低峰值电流,对EMI滤波器的要求也可降低43%。 l.1 IR1150的主要特性 ——单周期控制技术; ——无需输入电压采样; ——50kHz~200 kHz工作频率设定; ——输出过压、欠压、空载保护; ——每周期电流峰值限制; ——高达1.5A的门极驱动; ——最大脉宽限制为98%; ——软启动,微功率启动及休眠节能模式。 l.2主要管脚功能介绍 脚2(FREQ)频率设定端该引脚通过接地电阻设定芯片工作频率,设定范围为50~200 kHz。 脚3(ISNS)电流反馈输入端该引脚接收电感电流检测信号并提供峰值电流限制功能。该引脚上接收的是检测电阻上的负电压,该电压反映了电感电流的变化。 脚4(OVP/ENA)输出电压采样输入端用于过压保护和“休眠模式”使能。当该引脚电压高于105.5%VREF脚8驱动输出将被强制关闭。当该引脚电压降低到O.62 v以下,芯片进入电流消耗仅为200MA的“休眠模式”,符合待机功率小于1w的Blue Angel和“能源之星”节能标准。 脚5(COMP)电压环误差放大器输出端该引脚经过外部阻容电路接地,构成电压环路补偿电路。若出现输出空载以及输出电压过低的情况,该引脚将被强制置为低电平。脚6(VFB)输出电压反馈端 电压环误差放大器反向输入端,输出电压经过电阻分压后接人该引脚,通过该引脚的作用来控制电路输出电压。脚8(CATE)芯片驱动输出端可以提供最高1.5A的输出电流。 2 IR1150单周期控制技术分析 2.1 单周期控制技术介绍 近年来单级PFC的研究集中于如何简化传统的PFC控制电路结构,避免对输人电压采样和使用复杂的模拟乘法器。IR1150使用的最新PFC控制技术——单周期控制很好地解决了这个问题。单级PFC电路的控制目的是要使输入电流ig的低频波形(50 Hz)跟随全波整流后的输入电压波形Vg同时又要保持输出电压恒定为Vo。若控制电路的控制策略满足了输入电流与输入电压成比例,整个变换器可以等效为一个电阻Re则有 V1(t)和V2(t)的比较即可确定占空比D。由方程组可知,OCC需要一个积分环节。因为对于工频输入电流波形来说开关频率纹波可以忽略,则ig可通过采样输入电感电流iLin获得。 2.2 单周期控制的电路实现 IR1150内部结构框图如图2所示,控制环路包括一个外部的电压环和一个内部的电流环。输出电压通过分压电阻接人脚6(VFB),该引脚内部接入电压误差放大器OP2反向输入端,反馈电压通过与VREF比较后得到控制电压VmoVm一路与脚3(CS)电流检测端输入信号经过运算得到V1(t);另一路经过误差放大器OP3构成的带有复位开关的积分器得到三角波V2(t)。之后V1(t)与V2(t)接入比较器COMP。   工作波形如图3所示。一个周期内的工作状态,首先是在t1时刻时钟CLOCK产生的脉冲将RS触发器置位,Q端输出高电平,通过驱动电路开通开关管,Q端为低电平,积分器OP3工作,三角波V2(t)开始上升,直到t2时刻V2(t)达到V1(t)的幅值,比较器COMF翻转输出高电平,将RS触发器复位,Q端输出低电平,开关管关断。直到下一个周期初始(t3时刻)又开始重复上述过程。 由上可知,开关管占空比,D是由V1(t)与V2(t)比较所确定的。V1(t)即反映了电感电流的大小,同时实现了每周期的电流峰值限制。 3 基于IR1150的Boost PFC变换器设计 实验电路如图4所示的BoostPFC电路,输入电压AC 220v,频率50Hz。输出DC 380V,开关频率为100kHz,最大功率400w。相对于传统的平均电流模式PFC电路,该电路结构简单,外部元器件数量少,非常适合功率电源模块的PFC前级。   设计中需要注意以下几个方面。 1)由于PFC电路的脉宽占空比是不断变化的,所以引起的开关噪声比恒定脉宽的变换器要大。芯片供电脚与地之间的耦合电容必须尽量靠近芯片,使芯片的供电具有良好的抗噪能力。耦合电容的选取与开关频率、MOSFET的输入电容和接于MOSFET 门极的电阻有关系,一般来说470nF的无极电容就可以满足要求。 2)PFC电感匝间寄生电容会引起开关管开通时的漏极电流振荡。图5(a)所示为使用了双层绕组PFC电感所引起的MOSFET漏极电流上升沿的振荡波形。相比之下,如图5(b)所示,使用了单层绕组PFC电感所引起的MOSFET漏极电流上升沿振荡要轻微得多。 3)IR1150的驱动能力很强,可以提供最大1.5A的门极快速驱动。但是,高速驱动脉冲也带来了比较大的EMI问题,适当地在门极添加驱动电阻减缓驱动脉冲的di/dt,可以降低变换器产生的开关噪声,从而对前极的EMI滤波器的要求也相应降低。 4)应选择快恢复二极管作为该电路的升压二极管,以减小二极管反向恢复所引起的传导和辐射干扰。在升压二极管上并联RC网络也能取得较好效果。实验结果如图6所示,其中图6(a)为该电路输入电压与电流波形,图6(b)为输入电流谐波含量。 实验结果显示在输出功率349w时功率因数达到了0.992,THD仅为5.9%。达到了理想的功率因数校正效果。 4 结语 本文介绍的IR1150是IR公司推出的新一代PFC控制芯片,该芯片不再需要输入电压采样以及复杂的模拟乘法器电路。由于采用紧凑的SO一8封装,而且所需外围元器件少,有助于将PFC控制板面积缩减一半,在75w~4kW功率范围内,为计算机、消费电子产品和家电提供了简便、灵活、高密度的解决方案。
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