單周期臨界導通PFC轉(zhuǎn)換器控制模式及關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著各種電子設備和產(chǎn)品的快速發(fā)展,以及集成電路制造工藝的不斷進步,開關(guān)電源已成為當今電子設備的研究熱點之一,并影響著電子產(chǎn)品設計的成功與否。作為開關(guān)電源的主要控制技術(shù)之一,功率因數(shù)校正技術(shù)也在經(jīng)歷不斷的改進,向著高效率、低成本、低功耗、以及輕薄小的方向發(fā)展。功率因數(shù)校正(PFC)技術(shù)能有效抑制電網(wǎng)一側(cè)的輸入電流波形畸變,減小總諧波失真(THD),從而滿足電網(wǎng)對開關(guān)電源功率因數(shù)及諧波含量日益嚴格的要求,特別是能夠滿足更多的便攜式電子產(chǎn)品在

2、小功率應用場合的普遍需求。
　　 本文首先對單級有源功率因數(shù)校正電路的工作原理和控制模式進行了較全面的論述。由于其低成本、低功耗的特點,單級有源PFC通常適用于中低功耗的便攜式電子產(chǎn)品。接下來對單級Boost PFC轉(zhuǎn)換器的拓撲結(jié)構(gòu)、工作原理和穩(wěn)定性進行了較為深入的討論,包括電流連續(xù)導通模式(CCM)、電流斷續(xù)導通模式(DCM)、以及臨界導通模式(BCM)Boost PFC轉(zhuǎn)換器的實現(xiàn)方法及其工作原理。
　　 對單周期控

3、制技術(shù)的非線性控制機理、工作原理、調(diào)制規(guī)律、以及不同工作模式(CCM、DCM、BCM)下單周期Boost轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定性進行了分析研究,提出了穩(wěn)定性工作的條件。采用電壓和電流雙閉環(huán)反饋控制技術(shù),實現(xiàn)單周期BCM PFC轉(zhuǎn)換器的整流和穩(wěn)壓功能；根據(jù)環(huán)路穩(wěn)定性特點,對電壓控制環(huán)路和電流控制環(huán)路進行補償；基于Simulink建立了單周期PFC轉(zhuǎn)換器的高層次行為模型,仿真和測試結(jié)果驗證了其正確性和可行性。
　　 基于SinoMos1.0μ

4、m BiCMOS工藝,完成單周期臨界導通變頻PFC轉(zhuǎn)換器的電路設計?；陔p環(huán)最優(yōu)控制模式,采用多矢量誤差運放、可編程鋸齒波振蕩器、過零檢測電路實現(xiàn)變頻控制,有效減少整個電源系統(tǒng)在輕載與重載時的功率損失,以及導通損耗和噪聲:去除復雜的模擬乘法器,簡化了傳統(tǒng)PFC控制電路的結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)采用的關(guān)鍵性技術(shù)如下:
　　 1)采用高階曲率補償帶隙基準電壓源。在一階溫度補償?shù)幕A上,利用雙極晶體管的電流增益β隨溫度呈指數(shù)變化的特點,對帶隙基準進

5、行高階溫度補償,同時為了防止熱振蕩現(xiàn)象的影響,加入帶熱滯回功能的過溫保護電路,極大的提高了帶隙基準的穩(wěn)定性;
　　 2)采用多矢量誤差運放和可編程鋸齒波振蕩器,保證系統(tǒng)根據(jù)外接負載及時調(diào)整PWM開關(guān)頻率,有效減少整個電源系統(tǒng)在輕載與重載時的功率損失,提高有用功率。仿真和測試結(jié)果表明,該PFC轉(zhuǎn)換器能跟隨負載變化調(diào)整工作頻率,在變頻模式與間歇模式之間進行轉(zhuǎn)換,滿足低壓省電模式要求；
　　 3)采用過零電流檢測電路實現(xiàn)電流環(huán)

6、控制,通過控制開關(guān)管的開啟時間實現(xiàn)單周期臨界工作模式,減小導通損耗和噪聲,避免出現(xiàn)較大的電流間隙,提高了功率因數(shù),采用具有350mV滯回電壓的遲滯比較器提高系統(tǒng)的抗干擾能力,增加峰值電流檢測網(wǎng)絡及前沿消隱電路,獲得盡可能小的電流畸變；
　　 4)采用周期性自啟動定時電路,以及在振蕩器與輔助繞組之間加入分流電阻Rz,使系統(tǒng)能夠根據(jù)輸入線電壓的變化,及時而準確地調(diào)整PWM開關(guān)信號的占空比,從而顯著降低AC輸入線電壓過零點附近的交越失

7、真現(xiàn)象。
　　 基于SinoMos1.0μm BiCMOS工藝,對版圖進行了物理實現(xiàn),并對芯片總體布局布線中需要考慮的問題進行了詳細的討論,包括器件和單元電路的匹配性、關(guān)鍵路徑的布線、電源和地線的隔離、串擾噪聲和閂鎖效應、以及ESD保護等。有效芯片面積為1.61mm×1.52mm。
　　 基于SinoMos1.0μm BiCMOS工藝,對整體電路進行了流片驗證,測試結(jié)果表明:所設計的系統(tǒng)具有較好的功率因數(shù)校正功能,啟動電