基于提高數(shù)字無(wú)橋PFC拓?fù)涞母咝阅茈娫丛O(shè)計(jì)性能分析

由于效率要求不斷增長(zhǎng)，許多電源制造商開(kāi)始將注意力轉(zhuǎn)向無(wú)橋功率因數(shù)校正(PFC)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。一般而言，無(wú)橋PFC可以通過(guò)減少線路電流路徑中半導(dǎo)體元器件的數(shù)目來(lái)降低傳導(dǎo)損耗。盡管無(wú)橋PFC的概念已經(jīng)提出了許多年，但因其實(shí)施難度和控制復(fù)雜程度，阻礙了它成為一種主流拓?fù)洹?/p>本文引用地址：http://2s4d.com/article/227152.htm

隨著一些專(zhuān)為電源設(shè)計(jì)的低成本、高性能數(shù)字控制器上市，越來(lái)越多的電源公司開(kāi)始為PFC設(shè)計(jì)選用這些新型數(shù)字控制器。相比傳統(tǒng)的模擬控制器，數(shù)字控制器擁有許多優(yōu)勢(shì)，例如：可編程配置，非線性控制，較低器件數(shù)目以及最為重要的復(fù)雜功能實(shí)現(xiàn)能力(模擬方法通常難以實(shí)現(xiàn))。

大多數(shù)現(xiàn)今的數(shù)字電源控制器(例如：TI的融合數(shù)字電源控制器UCD30xx)都提供了許多的集成電源控制外設(shè)和一個(gè)電源管理內(nèi)核，例如：數(shù)字環(huán)路補(bǔ)償器，快速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，具有內(nèi)置停滯時(shí)間的高分辨率數(shù)字脈寬調(diào)制器(DPWM)，以及低功耗微控制器等。它們都對(duì)無(wú)橋PFC等復(fù)雜高性能電源設(shè)計(jì)具有好處。

數(shù)字控制的無(wú)橋PFC

在其他無(wú)橋PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，圖1是一個(gè)已被業(yè)界廣泛采用的無(wú)橋PFC實(shí)例。它具有兩個(gè)DC/DC升壓電路，一個(gè)由L1、D1和S1組成，另一個(gè)則由L2、D2和S2組成。D3和D4為慢恢復(fù)二極管。通過(guò)參考內(nèi)部電源地，分別檢測(cè)線路(Line)和中性點(diǎn)(Neutral)電壓，測(cè)量得到輸入AC電壓。通過(guò)對(duì)比檢測(cè)到的線路和中性點(diǎn)信號(hào)，固件便可知道它是一個(gè)正半周，還是一個(gè)負(fù)半周。在一個(gè)正半周內(nèi)，第一個(gè)DC/DC升壓電路(L1-S1-D1)有效，并且升壓電流通過(guò)二極管D4回到AC中性點(diǎn)；在一個(gè)負(fù)半周內(nèi)，第二個(gè)DC/DC升壓電路(L2-S2-D2)有效，并且升壓電流二極管通過(guò)D3回到AC線。像UCD3020這樣的數(shù)字控制器用于控制這種無(wú)橋PFC。

圖1 數(shù)字控制無(wú)橋PFC

無(wú)橋PFC基本上由兩個(gè)相升壓電路組成，但在任何時(shí)候都只有一個(gè)相有效。對(duì)比使用相同功率器件的傳統(tǒng)單相PFC，無(wú)橋PFC和單相PFC的開(kāi)關(guān)損耗應(yīng)該相同。但是，無(wú)橋PFC電流在任何時(shí)候都只通過(guò)一個(gè)慢速二極管(正半周為D4，負(fù)半周為D3)，而非兩個(gè)。因此，效率的提高取決于一個(gè)二極管和兩個(gè)二極管之間的傳導(dǎo)損耗差異。另外，通過(guò)完全開(kāi)啟非當(dāng)前的開(kāi)關(guān)可以進(jìn)一步提高無(wú)橋PFC效率。例如：在一個(gè)正半周內(nèi)，在S1通過(guò)PWM信號(hào)控制的同時(shí)，S2可以完全開(kāi)啟。當(dāng)流動(dòng)的電流低于某個(gè)值時(shí)，MOSFET S2壓降可能低于二極管D4，因此，返回電流部分或者全部流經(jīng)L1-D1-RL-S2-L2，然后返回AC源。這樣，傳導(dǎo)損耗被降低，電路效率也能夠提高(特別是在輕載情況下)。同樣，在一個(gè)負(fù)半周內(nèi)，S2開(kāi)關(guān)時(shí)，S1被完全開(kāi)啟。圖2顯示了S1和S2的控制波形。

圖2 無(wú)橋PFC的PWM波形自適應(yīng)總線電壓和開(kāi)關(guān)頻率控制

傳統(tǒng)上，效率指標(biāo)在高壓線路和低壓線路上都規(guī)定為滿(mǎn)載。現(xiàn)在，計(jì)算服務(wù)器和遠(yuǎn)程通信電源等大多數(shù)應(yīng)用要求，除在滿(mǎn)載時(shí)，在10%-50%負(fù)載范圍時(shí)，效率也應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。在大多數(shù)AC/DC應(yīng)用中，系統(tǒng)具有一個(gè)PFC和一個(gè)下游DC/DC級(jí)，因此，我們將根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)來(lái)測(cè)量效率。若想提高輕載時(shí)的總系統(tǒng)效率，一種方法是降低PFC輸出電壓和開(kāi)關(guān)頻率。這要求了解負(fù)載信息，而這項(xiàng)工作通常通過(guò)使用一些額外電路，測(cè)量輸出電流來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而，采用數(shù)字控制器，便不再需要這些額外電路。在輸入AC電壓和DC輸出電壓相同時(shí)，輸出電流與電壓環(huán)路輸出成正比。因此，如果我們知道電壓環(huán)路的輸出，我們便可以相應(yīng)地調(diào)節(jié)頻率和輸出電壓。使用數(shù)字控制器以后，電壓環(huán)路通過(guò)固件來(lái)實(shí)現(xiàn)。其輸出已知，因此，實(shí)現(xiàn)這種特性十分容易，并且成本比使用模擬方法要低得多。

通過(guò)變流器實(shí)現(xiàn)電流檢測(cè)

無(wú)橋PFC的難題之一是，如何檢測(cè)整流后的AC電流。如前所述，AC返回電流(部分或者全部)可能會(huì)流經(jīng)非當(dāng)前的開(kāi)關(guān)，而非慢速二極管D3/D4.因此，在接地路徑中，使用分流器來(lái)檢測(cè)電流的方法(通常在傳統(tǒng)PFC中使用)已不再適用。取而代之的是使用變流器(CT)來(lái)檢測(cè)，且每相一個(gè)(圖1)。這兩個(gè)變流器的輸出整流后結(jié)合在一起，以產(chǎn)生電流反饋信號(hào)。由于在任何時(shí)候都只有一個(gè)變流器具有整流輸出信號(hào)，因此，即使將它們結(jié)合在一起，任何時(shí)候也都只有一個(gè)反饋電流信號(hào)。

圖3 連續(xù)導(dǎo)通模式時(shí)的檢測(cè)電流波形

圖4 非連續(xù)導(dǎo)通模式時(shí)的檢測(cè)電流波形

如圖3、4所示，由于變流器放置在開(kāi)關(guān)的正上方，因此，它只檢測(cè)開(kāi)關(guān)電流(只是電感電流的上升部分)。在數(shù)字控制實(shí)現(xiàn)時(shí)，在PWM導(dǎo)通時(shí)間Ta中間測(cè)量該開(kāi)關(guān)電流信號(hào)。它是一個(gè)瞬時(shí)值，在圖3、4中以Isense表示。僅當(dāng)該