基于FPGA的1553B通信模块的设计

　　有源功率因数校正(active POWER factor correction，APFC)是高效、低污染地利用电能的重要途径，它是在桥式整流器与输出电容滤波器之间加入一个功率变换电路，使功率因数接近1。有源功率因数校正电路工作于高频开关状态，具有体积小、质量轻，效率高等特点，已成为电力电子技术研究的新热点。

　　2 APFC的工作模式比较

　　有源功率因数校正(APFC)电路，根据电感电流是否连续，其工作模式可分为连续导电模式(Continuous ConductionMode，CCM)、断续导电模式(Discontinuous Conduction Mode，DCM)和临界导电模式(Boundary Conduction Mode，BCM)3种。这3种工作模式的特点比较如表1所示。本文APFC电路设计采用BCM的工作方式。

　　3 BCM功率因数校正(PFC)电路工作原理

　　图1是临界导电控制模式实现Boost型PFC电路的原理图及其半个工频周期内功率开关管的控制波形和电感电流波形。图1(a)是一种实现变频控制方案的电路原理图，其中误差放大器将输出电压的反馈信号和2．5 V基准信号相比较后放大，产生的输出信号和交流输入电压检测信号共同输入模拟乘法器．使模拟乘法器产生一个和输入电压同频同相的半正弦波输出信号。当功率管开启时，电阻R4对电感电流进行检测，当电感电流达到模拟乘法器的输出时，电流比较检测器输出一控制脉冲，触发RS控制逻辑部分使功率管关断，电感开始放电，这样就保证电感电流的峰值包络线是与输入电压同频同相的半正弦波。当电感放电时，用电感的副边输出对电感电流过零检测，为电感放电完毕时，RS控制逻辑部分立刻使功率管重新导通。整体电路采用电压-电流的双环反馈控制、利用变频控制法实现Boost型PFC电路，功率因数接近1。

　　4 BCM PFC电路的实现

　　BCM Boost型PFC电路采用变频控制，集成控制电路外围器件少，体积小、质量轻，适用于小功率开关电源。这里以控制器件MC33262为核心，构成电路原理图如图2所示。主电路采用Boost型电路，控制电路主要由MC33262器件、启动电路、辅助电源、电流检测电路、电压检测电路等构成。

　　4．1 电路工作原理

　　该电路采用双环反馈控制方案，内环反馈的作用是将全波整流输出的半波电压通过R2和R4组成的电阻分压器取样输入到MC33262的3引脚，以保证通过电感升压器原边的电流跟踪输入电压按正弦规律变化的轨迹。外环用作APFC变换器输出直流电压的反馈控制。直流输出电压通过R5和R7组成的电阻分压器取样输入到MC33262的1引脚，MC33262输出PWM驱动信号调节功率管VQ1的占空比，以使输出电压稳定电压。当AC输入电压从0 V按正弦规律变化至峰值时。乘法器的输出控制电流传感比较器的门限，迫使通过功率管VQ1的峰值电流跟踪AC输入电压的变化轨迹。

　　4．2 电路的设计

　　根据图2所示电路原理，电路技术指标如下：最大输出功率Pn为150 W，输入电压范围：90～270 V，输出电压Uo为400 V，输入电网频率fac为50 Hz，变换器的效率η为90％，小开关频率fmin为25 kHz，输出电压最大纹波峰-峰值UOP-P为8 V，输出过压保护点Uovp为440 V。

　　4．2．1 开关频率的设计

　　半个工频周期内开关频率的表达式为：

　　开关频率f(t)在给定输入电压的工频周期内随时间变化，功率越小，开关频率越大，理论上在轻载情况下，开关频率可以达到几兆赫兹，但频率越高，开关损耗就越大，因此有些临界导电模式的控制器件有最大开关频率的限制问题。MC33262的最大频率约400 kHz。

　　4．2．2 电感的设计

　　电感的设计必须保证电路在整个的工作区间内都工作在BCM。因此，可推导出主电感表达式为：

　　理论上如果给出最小的开关频率，则主电感的最大值在输出功率最小，输入电压最大时产生。给定的PFC电路最小开关频率偏小可减少开关损耗，偏大可减小电感的体积，大多设计是将25 kHz作为首选频率。这里的电压设计指标范围为90～270 V，在输入电压Uin为270 V时产生fmin代入式(2)可得：L=398μH。该设计L取420μH。

　　4．2．3 输出二极管的选择

　　BCM解决了二极管VD的反向恢复问题，为了减小开关管的损耗，可采用快速恢复二极管，由于开关电源工作频率都在20 kHz以上，快速恢复二极管和超快速恢复二极管的反向恢复时间减小到了毫微秒级，这就减小功率器件本身的损耗，大大提高了电源效率。该设计选择IDmax=7．9 A。同样，考虑到一定的裕量．二极管的电压应力应至少大于输出过压保护点440 v。因此该二极管型号为FR10J，其技术参数为10 A，600 V。

　　4．2．4 滤波电容的设计

　　在PFC电路中。通常在整流桥的输出端接一只小电容，用于滤除由高频开关电感电流的纹波引起的噪声。如果该电容取值太小，可能无法较好滤去输入的高频噪音，但其取值也不能太大，否则会引起较大的输入电压偏移。滤波电容的最大纹波电压用△UCin(max)表示，一般情况下，可取该值小于最低输入电压峰值的5％，则输入滤波电容的下限值为：

　　这里的最低输入电压值为90 V，将设计指标代入式(3)可得输入电容的最小值Cin=2．59μF。由于整流桥的输出电压经电阻分压后用于电流跟随的基准，所以过大的输入电容会使基准电压波形发生畸变，从而使输入电流的波形同样发生畸变，导致功率因数下降和谐波增加，因此本设计的电容值为5．6μF，且该电容的耐压应大于输入电压的最大峰值，还需考虑一定的裕量。因此，该电路设计Cin选取5．6μF，630 V的耐压值。