?基于UC3846的有源嵌位單級PFC開關電源

一般地，普通的單級隔離式PFC變換器與傳統(tǒng)的DC／DC變換器相比，具有電壓應力高、損耗大的缺點。針對上述問題，本文設計了一種單級PFC變換器，采用帶有源嵌位和軟開關的Boost-Flyback拓撲結構，從而有效地限制開關管的電壓尖峰。電路主、輔開關管在軟開關條件下，減少了其自身的開關損耗，提高了電源系統(tǒng)的整體輸出效率。另外，主、輔開關管共用一組控制電路，有較強的實用性。

1、系統(tǒng)設計

1．1、系統(tǒng)結構

一個完整的、獨立工作的AC／DC開關電源通常包括EMC（electromagneTIccompaTIbility）濾波整流電路、主電路（含功率變換器、隔離變壓器）、PWM（pulsewidthmodulaTIon）產生及控制電路、驅動電路、輸出電路、輔助電源電路、取樣電路。本文設計的系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。其工作原理是：輸入交流市電220V，經過EMC濾波整流電路、主電路、輸出電路后，得到24V直流電壓；同時，采用電流取樣和電壓取樣構成雙閉環(huán)控制機制，經PWM控制芯片調節(jié)PWM波形，再通過驅動電路控制功率開關管的導通和關斷，從而實現(xiàn)24V直流電壓的穩(wěn)定輸出。

1．2、主電路

是帶有源嵌位與軟開關的單級PFC變換器的主電路拓撲結構。本文在基本的單級隔離式PFC變換器電路的基礎上，添加了一個輔助開關管Q，和一個嵌位電容c。，構成有源嵌位；利用變壓器漏感作為諧振電感L，主開關管Q和輔助開關管Q：的輸出電容及電路中其他的寄生電容總和作為諧振電容c，（虛線部分），通過L和c的諧振來實現(xiàn)軟開關。

1．3、PWM產生及控制電路和驅動電路

就整個系統(tǒng)而言，PWM產生及控制電路和驅動電路就像人的大腦，控制著整個系統(tǒng)的正常運行。本文舍棄傳統(tǒng)的PFC專業(yè)芯片（如L6561），選用PWM控制芯片UC3846。這種方案不僅可以實現(xiàn)對PFC升壓電路和反激式電路的實時控制，且能簡化外圍電路，降低成本。

UC3846是美國德州儀器生產的一款高性能固定頻率電流型PWM控制芯片，采用雙路互補輸出，常作為半橋、全橋雙極性變換器的驅動信號源。該芯片的優(yōu)點是功能齊全，內置高頻振蕩器、差動電流檢測放大器、精密基準電壓、欠電壓鎖定電路以及軟啟動電路，具有自我保護功能。外部控制電路較為簡單，工作頻率最高可達500kHz，適應于-165—150℃的外部環(huán)境，輸人電壓范圍為8～40v。該芯片的結構框圖如圖3所示。

本文選用UC3846作為PWM控制芯片，引入電壓、電流雙閉環(huán)結構，采用峰值電流模式。在圖2的基礎上，通過Saber仿真軟件加以輔助設計，同時對相關參數(shù)進行詳細計算，構建其他功能電路H，最終得到本文樣機的電路原理圖。

由于篇幅有限，在此僅對PWM產生及控制電路和驅動電路進行詳述。UC3846的2腳產生5．1V的基準電壓，1腳通過電阻R和R分壓（R與電容C。并聯(lián)），得到2．5v左右的電壓，以實現(xiàn)電路的軟啟動功能；3，4腳分別作為電流采樣比較器的反、正相輸入端，其中3腳接地（GND），4腳接主開關管Q（流過Q，的電流作為電流采樣信號），同時通過電阻和電容c8接至振蕩器CT端，進行斜坡補償；5腳通過電阻R6和R1分壓，得到2．5V的電壓，作為電壓誤差放大器正相輸入端的基準；6腳接輸出電壓的采樣信號（該采樣信號需經過光耦PC817隔離）；7腳作為誤差放大器的輸出端，通過電阻R和電容．c．與6腳相連，構成PI調節(jié)器；8，9腳作為振蕩器的震蕩電容電阻端，分別接電容c，和電阻，實現(xiàn)系統(tǒng)開關頻~f=-50kHz；10腳懸空；11腳和14腳產生兩路互補方波信號（有一定的死區(qū)時間），分別輸入到高壓浮動驅動集成模塊IR2113輸入端的14腳和12腳；經自舉電路后（自舉二極管D、自舉電容C），IR2113的輸出端1腳和、8腳輸出15V左右的互補信號，分別驅動主開關管Q1和輔助開關管Q2

2、系統(tǒng)主要器件參數(shù)

本文設計的開關電源系統(tǒng)參數(shù)如下：開關頻率．50kHz，額定輸出電壓Uo=24V，輸出的最大電流Io=2A。經Saber仿真輔助設計和相關計算，系統(tǒng)主要器件參數(shù)如下。

1）PFC電感L：選用電感量1mH、線徑0．045cm的貼片電感。

2）儲能濾波電容C18：通過計算得到C18容量為60uF，而在實際電路中，采用100uF／450V的鋁電解電容。

3、樣機測試結果與分析

輸入交流市電220V，對不加PFC部件與PFC部件正常工作的2種情況對樣機進行測試，其輸入電壓、電流波形如圖6所示。

與不加PFC部件的輸入電壓、電流波形相比，PFC部件正常工作時的輸入電流波形沒有發(fā)生畸變，且與輸入電壓的相位差幾乎為零。

利用Fluke43B電能質量分析儀對樣機進行實測，系統(tǒng)的功率因數(shù)達到了0．992。這也說明了本系統(tǒng)實現(xiàn)了功率因數(shù)校正的功能。

PFC部件工作在斷續(xù)模式，采用峰值電流模式控制，電壓采樣波形較為平穩(wěn)，這也間接反映了輸出電壓是穩(wěn)定的。

可知，系統(tǒng)的輸出電壓始終恒定在24V，除示波器探頭引起的雜波干擾外，其自身紋波很小，達到了預期的效果。

輸人電壓ui=220V且滿載時，測得輸入電流有效值Ii=0．247A，計算得到輸人功率Pi=UiIi=54．4W，輸出功率Po=UoIo=48W，整機效率n=Po/Pi=0．88，因此，對于5Ow功率級的電源而言，該值滿足設計要求。

4、結語

本文設計了一款基于PWM控制芯片UC3846的單級PFC開關電源。介紹系統(tǒng)整體方案的同時，詳細剖析了系統(tǒng)電路原理。針對變壓器參數(shù)的設計難題，給出了較為詳盡地推導和選取原則。通過樣機測試表明了，功率因數(shù)、滿載效率和輸出電壓紋波均滿足設計要求?？梢?，單級PFC技術能夠有效地提高系統(tǒng)的功率因數(shù)；有源嵌位軟開關技術可以降低開關管的損耗，從而提高電源效率。