基于TPS759XX多片信号处理系统的电源设计
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2. 2 电路结构及工作原理
基于MC33262PFC 控制芯片的AC/ DC 变换器电路结构如图3 所示. 图中BD1 为整流桥,CY为干扰滤波电容,TR 为热敏元件,ZD1 为稳压管,EC 为电解电容,VR 为压敏元件, FUSE 为保险丝,1～8分别表示芯片引脚号.
图3 所示APFC 电路主要由控制器IC 芯片MC33262 、MOSFET 功率管Q1 、升压电感器L4 、升压二极管D2 、输出滤波电容EC2 及反馈环路组成.APFC 变换器的工作原理基于升压电感L4 的电流与电压之间的物理关系. 在Q1 导通时,升压二极管D2 截止,滤波电容EC1 通过负载放电. 当Q1 由导通跃变为关断时,L4 产生的突变电势使D2 正向偏置导通,L4 中的储能经D2 释放,对EC2 充电. 由于Q1 和D2 交替导通,使整流桥输出电流经L4 连续流动. 这就意味着整流二极管在交流电源的半个周期内,导通角趋于180°. 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直流脉动电压通过R003 和R004 组成的电阻分压器取样输入到MC33262 第3 脚,以保证通过L4 的电流时刻跟踪输入电压按正弦规律变化的轨迹. 通过L4 的三角形高频电流的峰值包络线正比于输入交流电压,其平均电流则呈正弦波形,这就意味着电源输入电流也呈正弦波. 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R005 和R009组成的电阻分压器取样输入到MC33262 的第1 脚,MC33262 输出PWM 驱动信号调节MOSFET 功率管的占空比,以使输出电压稳定.
图3 APFC实验电路结构图
交流输入电压经桥式整流,输出100 Hz 的正弦半波直流脉动电压,能够比较真实反映交流(AC) 输入电压波形的全波整流电压,经过电阻分压器分压、小电容C004 滤除高频噪声输入到芯片内部的乘法器. 滤波电容EC2 两端直流电压通过R005 和R009分压输入到芯片内部误差放大器的反相端,并与误差放大器同相端精密参考电压V ref比较,产生一个直流(DC) 误差电压,作为一象限乘法器的另一路输入. 当AC 输入电压从零按正弦规律变化到峰值时,乘法器的输出控制电流传感比较器的门限,迫使通过MOSFET 功率管Q1 的峰值电流跟踪AC 输入电压的变化轨迹. 流过MOSFET 功率管Q1 的电流在电阻R010 上转换为电压信号,输入到芯片第4 脚,经过芯片内置阻容( RC) 低通滤波器, 输入到MC33262 芯片内电流检测比较器的正向输入端. 电感L4 电流的波形呈高频锯齿三角波,在电流值从零增长到峰值的过程中,Q1 是导通的. 乘法器的输出则是电感峰值电流的参考电压,只要在R011 上的传感电压超过电流检测比较器的门限电压,片内逻辑电路动作,输出MOSFET 功率管关断信号. 升压电感L4 的副边绕组Ns 将感应电压经D1 整流EC1 滤波,作为MC33262 芯片启动后的辅助电源;Ns 还用做L4 的高灵敏度的电流传感器. Ns 将流过L4 的电流检测后,经限流电阻R007 输入到片内零电流检测器,只要电感电流一降至芯片所设置的“零”电平, 零电流检测器则通过置位门锁驱动MOSFET 导通.
升压电感器L4 选用铁氧体材料铁芯和李氏漆包线绕制,原副边线圈匝数比为60/ 6. 原边Np 绕组的电感为580μH ,副边Ns 是辅助电源及零电流检测绕组.
3 实验结果
实验结果显示该AC/ DC 变换器在较宽广的输入电压范围下获得高度稳定的直流电压400 V 输出,纹波峰峰值在8 V 以下,输出额定功率达150W ,满载下效率η= 95 % ,功率因数λ≥0. 99 ,输入电流总谐波畸变D 6 %. 图4 和图5 所示记录了芯片3 脚的采样输入电压、交流输入电流波形. 图6 所示为MOSFET 上源极电阻上的采样电压波形,它反映了流经MOSFET 上的电流波形,即电感储能阶段电感电流波形. 可看出由于MOSFET 开关频率很高(将近70 kHz) ,在开关关断过程中源极电阻上有较强的干扰电流流过,示波器记录波形上出现不少尖峰毛刺. MC33262 芯片内已预先设置了RC滤波器对该信号做滤波处理,不过一般可在4 脚与源极电阻间考虑再增添一外部RC 滤波电路,增强抗干扰效果.
图4 芯片3 脚电压采样输入波形
图5 输入电流电阻采样波形
图6 MOSFET上导通电流电阻采样波形
4 结语
由MC33262 构成的功率因数校正电路外围结构简单,电路元器件少,电路的体积和成本下降,提高了系统的可靠性. 目前这种APFC 技术已经在开关电源、电子镇流器等诸多领域得到了应用. 该APFC 电路采用峰值电流控制方式,属于准连续电流模式,MOSFET 开关频率很高,这对EMI 滤波电路的设计有较高的要求. 不过该系列芯片与其他采用连续模式的APFC 芯片相比有着较高的性价比,值得作进一步完善研究.
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