基于NCP1607的自驅(qū)動(dòng)Boost PFC的設(shè)計(jì)

趙舒澤，陳 申，呂征宇

（浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院 應(yīng)電系，杭州 310027）

引言

ST公司的L6562是典型的臨界導(dǎo)通模式的PFC控制芯片。其跟蹤電壓的原理[1,2]是芯片內(nèi)部通過(guò)乘法器產(chǎn)生一個(gè)與輸入電壓同步的基準(zhǔn)信號(hào)，當(dāng)電感電流增加到該基準(zhǔn)值時(shí)，產(chǎn)生關(guān)斷信號(hào)；當(dāng)電感電流過(guò)零時(shí)，產(chǎn)生開通信號(hào)。于是，輸入電流便可以跟蹤輸入電壓，從而實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。

安森美公司推出了同樣類型的控制芯片NCP1607。其最大的特點(diǎn)就是，不需要檢測(cè)輸入電壓，便可以實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正[3]。

1 NCP1607芯片的功率因數(shù)校正原理[3,4]

圖1 是基于NCP1607的Boost PFC的系統(tǒng)電路圖。可以看出，系統(tǒng)只需要采樣輸入電壓，便可以實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。

圖2 是功率因數(shù)校正的原理圖。其中Vin（t）是輸入電壓；IL（t）是電感電流；IL_max（t）是電感電流的包絡(luò)線，也就是電感最大電流；Iin（t）是輸入電流。

圖1 基于NCP1607的Boost PFC的系統(tǒng)電路圖

因而電感上的磁鏈方程，有：

所以，有：

可見，電感電流的最大值，可以跟蹤輸入電壓。電感電流經(jīng)過(guò)輸入電容的濾波之后，得到的輸入電流Iin（t）便可以跟蹤輸入電壓，從而實(shí)現(xiàn)功率校正。

圖2 功率因數(shù)校正原理圖

2 關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)[3,4]

系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)主要有輸入濾波電感和過(guò)零檢測(cè)匝比。

2.1 輸入濾波電感

輸入電感的值，決定了變換器的最低工作頻率。輸入電感越大，最低工作頻率越小。為了保證變換器工作時(shí)，不產(chǎn)生噪聲污染，最低頻率是20 kHz。輸入濾波電感的臨界值Lcri為：

式中：Vac為輸入電壓；fsw_min為變換器最低工作頻率；Vo與Po分別為輸出電壓與功率。

2.2 過(guò)零檢測(cè)匝比Nb∶Nzcd

過(guò)零檢測(cè)匝比設(shè)計(jì)的依據(jù)是：在整個(gè)電網(wǎng)周期內(nèi)，電感電流過(guò)零都可以被有效地檢測(cè)出來(lái)。

就基于NCP1607的PFC而言，要求在開關(guān)管關(guān)斷期間，芯片過(guò)零檢測(cè)腳上的電壓要大于ZCD比較單元的上限門檻Vzcdh。這樣，當(dāng)電流過(guò)零后，就可以有效地觸發(fā)過(guò)零檢測(cè)單元。

其中Vzcdh典型值為2.1 V，最大匝比10.6:1。根據(jù)BOOST電路電感量，原邊匝數(shù)41匝，選取匝比41:8。

3 自驅(qū)動(dòng)電路的分析和設(shè)計(jì)[5]

基于NCP1607的功率因數(shù)校正變換器，雖然可以很好地實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。然而，變換器實(shí)際工作時(shí)，仍需要輔助電源給芯片供電。因此，有必要引入自驅(qū)動(dòng)電路，不僅可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)，也可以節(jié)約成本。

3.1 原理

圖3 是升壓泵的原理圖。從圖上可以看出，升壓泵的主體是一個(gè)RCD網(wǎng)絡(luò)。

圖3 升壓泵的原理圖

升壓泵的工作過(guò)程主要有三個(gè)模態(tài)：?jiǎn)?dòng)充電，輔助電容充電，輔助電容放電。圖4為自驅(qū)動(dòng)時(shí)的供電電壓Vcc的波形和各個(gè)模態(tài)信號(hào)流圖。

t0-t1：?jiǎn)?dòng)充電模態(tài)，其信號(hào)流圖如圖4-b所示。該時(shí)段內(nèi)，Vcc不斷變大，直到Vcc達(dá)到芯片的開啟電壓Vcc_on，該階段結(jié)束，變換器開始工作。

t1-t2：過(guò)渡階段，變換器進(jìn)入暫態(tài)。

t2-t3：輔助電容充電階段，其信號(hào)流圖如圖4-c所示。這個(gè)階段，開關(guān)管開通。Dcp導(dǎo)通，從而向輔助電容Ccp充電。此階段內(nèi)Cvcc向芯片供電，因此，Vcc變小。

t3-t4：輔助電容放電階段，其信號(hào)流圖如圖4-d所示。這個(gè)階段，開關(guān)管關(guān)斷，Dcp截止，Ccp向芯片供電，因此，Vcc變大。

圖4-a 自驅(qū)動(dòng)時(shí)的供電電壓Vcc的波形

圖4-b 啟動(dòng)充電模態(tài)

圖4-c 輔助電容充電模態(tài)

圖4-d 輔助電容放電模態(tài)

3.2 參數(shù)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一個(gè)良好的自驅(qū)動(dòng)電路，需要考慮以下幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：過(guò)零檢測(cè)匝比，Rcp和Ccp。

過(guò)零檢測(cè)匝比結(jié)合2.2中的討論，選取匝比Nb∶Nzcd=41:8。

輔助電容Ccp的電壓變化量ΔVccp為：

其中Vdcp為穩(wěn)壓管的箝位電壓。

根據(jù)輔助電容Ccp上的電量守恒，有：

因此可以得到輔助電容Ccp的臨界值Ccp_cri：

式中：Icc_typ為芯片工作時(shí)的典型電路，可在NCP1607的datasheet上查到，一般可取2.5 mA；Tsw_max為最大開關(guān)周期，因?yàn)檫@個(gè)時(shí)候芯片需要最多的能量。

Rcp的設(shè)計(jì)原則是在Ton期間內(nèi)，保證輔助電容Ccp充分充電。因此要保證時(shí)間常數(shù)足夠小。

4 實(shí)驗(yàn)與討論

針對(duì)上述自驅(qū)動(dòng)的方案，設(shè)計(jì)了一臺(tái)樣機(jī)，樣機(jī)的參數(shù)如表1所示：

表1 樣機(jī)參數(shù)表

關(guān)鍵參數(shù)以及自驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)分別如表2和表3所示。

表2 變換器關(guān)鍵參數(shù)表

表3 自驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)表

滿載下，測(cè)得的芯片供電電壓波形如圖5所示。對(duì)比圖4-a，可以看出，理論波形和實(shí)驗(yàn)波形基本吻合。

圖5 滿載下啟動(dòng)時(shí)芯片供電電壓Vcc波形

圖6 半載時(shí)的輸入電壓和輸入電流波形

圖7 滿載下的輸入電壓和輸入電流波形

圖6 和圖7分別描繪了變換器在半載和滿載時(shí)的輸入電壓和輸入電流波形。計(jì)算得到的功率因數(shù)在0.99之上。

圖8 描繪了全輸出范圍內(nèi)的效率。從圖上可以看出，在半載和滿載時(shí)，變換器效率均在94%以上。

圖8 不同負(fù)載下的功率折線圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了功率因數(shù)控制芯片NCP1607的原理及其應(yīng)用方法。同時(shí)，介紹了一種基于升壓泵的Boost PFC自驅(qū)動(dòng)方案。詳細(xì)分析了其工作原理，以及參數(shù)設(shè)計(jì)方法，最后給出了實(shí)驗(yàn)證明。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了分析的合理性以及設(shè)計(jì)方法的有效性。

[1]陶以彬，楊波，李官軍等.基于L6562的高功率因數(shù)Boost電路的設(shè)計(jì)[J].電子元器件應(yīng)用，2009,11(10):10-13.

[2]ST corporation.Transition-mode PFC controller.www.st.com.Nov.2005.

[3]On Semiconductor.Cost Effective Power Factor Controller.http://onsemi.com.Apr.2009.

[4]On Semiconductor.Implementing Cost Effective and Robust Power Factor Correction with the NCP1607.http://onsemi.com.Dec.2008.

[5]林渭勛.現(xiàn)代電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2007.