电源模块功率因数校正技术的应用与控制方法

张　豪，柴　红

（长安大学电子与控制工程学院，陕西西安　710064）

摘　要：基于有源功率因数校正控制芯片UCC28019，设计了一种Boost型交流转直流的电源系统，采用较少的外部元件实现功率因数校正；基于低功耗稳压芯片TPS7A41和MPS430控制器的设计，有效降低系统的待机功耗。通过功率开关、整流滤波网络的优化选型，系统获得较高的转换效率。系统还具有功率因数测量与输出过流保护功能。实验结果表明：在0.2～2A的负载范围内，输出电压的负载调整率为0.143%/A，在20～30V输入电压范围内，输出电压的线性调整率为0.042%/V，在输入电压24V输出电压36V且负载为2A的情况下，系统的功率因数达到98%，转换效率达到93%。

关键词：AC－DC变换；升压型；功率因数校正；高效率

Abstract：Based on the control chip of active power factor correction UCC28019，a AC to DC power system using the boost topology is designed.Fewer external components are used in the system to achieve active power factor correction.Designed with the low－power regulator chip TPS7A41and the low－power microcontroller MPS430，the system＇s standby power dissipation is decreased effectively.By optimizing the power switch and rectifier filter network，the system gets a higher conversion efficiency.In addition，the system also realizes power factor measurements and output over－current protection.The results show that the load of output voltage is 0.143%/A with the load range from 0.2Ato 2A，the line regulation of output voltage is 0.042%/V with the input voltage range from 20Vto 30V.Moreover，with 24Vinput，36Voutput and 2Aloading，the system achieves 98%power factor and 95%conversion efficiency.

Key words：AC－DC converter，boost，power factor correction，high efficiency

1　前言

日益复杂恶劣的电磁环境不仅威胁到用电设备的正常工作，由此带来的谐波污染也降低了电网的功率利用率［1］。电力系统谐波标准IEEE519、电气电力IEC 61000－3－12或EN61000－3－2等行业强制标准的出台正是来约束用电设备的谐波“排放量”［2－3］，而功率因数校正技术正是用来控制这一“排放量”的专用技术。电网与用电设备的接口就是电源模块，因此功率因数校正技术就主要应用于AC－DC电源模块。

功率因数校正技术分为无源和有源2种。其中无源滤波一般由电容和电感串联或并联组成，用于滤除固定频率的谐波，它的价格低廉且适应范围广，但体积大，对于复杂的谐波无法有效地滤除，严重时还可能导致谐振［4］。而有源功率因数校正（APFC，Active Power Factor Correction）是在整流滤波和DC－DC功率级之间作为前置级来提高功率因数和实现DC－DC级输入的预稳，可有效地过滤各次谐波，具有体积小、隔离性好等优势，是目前功率因数校正采取的主要方式［5－8］。

本文基于有源功率因数校正技术，采用PFC（Power Factor Correction）控制芯片对Boost型AC－DC电路中的电压反馈进行控制，通过稳压芯片对单片机和PFC控制芯片自供电方式，实现功率因数校正，系统还具有功率因数测量和过流保护的作用。

2　系统方案

作者简介：张　豪（1992－），男，长安大学电子与控制工程学院硕士研究生，控制理论与控制工程专业。

　　　　　柴　红（1992－），女，长安大学电子与控制工程学院硕士研究生，控制理论与控制工程专业。

为了使用电设备的输入端口针对交流电网呈现纯阻性，通常采用功率因数校正技术，尤其用有源功率因数校正技术来实现：通过电感和电容组成一定的LC拓扑网络结构，利用功率开关管的开关特性，使LC网络在不同的拓扑结构之间不断变化。这样，当LC网络在不同的拓扑结构之间来回变化时，一方面实现DC－DC转换，另一方面实现对输入电流的控制，使输入电流与输入电压始终成正比，以实现功率因数校正。

常见的APFC拓扑结构的有：降压式（Buck）、升降压式（Buck－Boost）、反激式（Flyback）、升压式（Boost）。其中升压式（Boost）APFC，其电路的输入电流完全连续，电流纹波小，易于进行EMI滤波，在整个输入电压的正弦周期内都可以调制，因此可获得很高的功率因数。而且输入电流连续且易调节，输入电感L可以抑制电路的快速变化，增强了电路的可靠性。同时开关管M栅极驱动简单，电流峰值较小，对输入电压变化适应性强，适用于电网电压变化大的场合。此外，输出电压高于输入电压，还可应用于输出高压场合。

升压式（Boost）APFC电路可使用多种控制方法。根据电感电流是否连续，可分为不连续导通模式（DCM）、临界导通模式（TM）和连续导通模式（CCM）。其中CCM模式常用的电流检测方式，有峰值电流控制、滞环电流控制和平均电流控制，其中平均电流控制是恒频控制，工作在电感电流连续状态，开关电流有效值小、EMI滤波器体积小，输入电流波形的失真小，还能抑制开关噪声。鉴于上述优点，本系统采用CCM模式的Boost型APFC结构，系统方案如图1所示：

图1　系统方案图

主控电路包括变压器、整流、AC－DC变换电路和负载，将220V交流电经耦合和隔离变压器变压为24V交流电，然后由整流电路和Boost型AC－DC变换电路得到的36V输出直流电给负载供电，由AC－DC变换电路中的PFC控制对整流后的电流和电压进行检测，实现功率因数的校正功能。通过测量电路采样输入电流电压相位，经MCU MSP430处理后显示出来。电压、电流互感器对变压后的电压电流采样并整形输送给MCU，由MCU对其进行功率因数的测量并显示出来。保护电路通过对输出电流的采样进行过流保护。经自供电电路的稳压芯片转换后的电压为控制芯片和单片机供电。

3　系统电路设计

3.1　功率因数校正电路

功率校正电路主要包括主电路、控制电路、保护电路和自供电电路，如图2所示。其中主电路采用Boost结构的AC－DC电路，输出36V稳定的直流电压。控制电路采用TI公司推出的一款Boost拓扑结构、连续导通模式（CCM）的UCC28019芯片，实现功率因数的校正和测量。自供电电路采用两个低功耗的线性稳压芯片TPS7A41，将输出的36V直流电分别进行转换，得到12V和5V的直流电压，再分别对PFC芯片和单片机进行供电，这样有效地降低了系统的待机电流。保护电路在输出电流大于2.5A时，由比较器的输出控制UCC28019的关断，达到电路过流保护的作用。

其中控制电路如图2所示，单片机控制TPS7A41线性稳压芯片的使能端来控制UCC28109芯片的工作状态。UCC28109芯片6端获得反馈电压，8端控制Boost电路的开关管M1，通过负反馈环控制开关管M1导通时间调整输出电压。3端进行电流采样，4端进行电压采样，通过电压电流的采样来校正及控制功率因数。若负载电流增大，则开关管M1导通时间会自动增加，输出电压也会增大；若输入电容CIN两端的电压VDC下降而导通时间不变，则峰值电流即L的储能会减少，导致输出电压下降。每个开关周期经电感的电流都流过开关管M1，因此控制开关管M1的通断可以控制经电感的电流变化，当开关管M1按正弦规律变化时，电感上的电流呈正弦波，再使电流的相位跟踪电压的相位则可以达到功率因数校正的目的。

3.2　功率因数测量电路

测量电路主要由电流互感器、电压互感器、两个比较器和两个D触发器构成，其原理图如图3所示。采样信号VS、V1和V2分别通过电流和电压互感器得到同比例缩小的可处理交流输入信号，经LM358构成过零比较器输出两个具有相位差的方波，这两个方波分别经CD4013触发器构成的相位检测电路，输出两个具有一定脉宽的脉冲信号S1、S2。通过单片机扫描这两个脉冲信号测得脉宽T，脉宽反映出电压与电流的相位差，将脉宽T换算为功率因数的值，即可得到功率因数的测量值cosφ。

图2　功率校正电路电路原理图

图3　测量电路

电网电压和电流的频率均为工频50Hz（对应周期为20000μs），而一个周期对应的电角度为360°，故当T值被测定后，功率因数角φ即可按下式计算：(www.zuozong.com)

图4　功率因数校正的AC－DC电源实物图

4　系统测试与结果分析

设计的功率因数校正的AC－DC电源实物图如图4所示，电路部分包括主电路、控制电路、保护电路、自供电电路和测量电路。系统构成还包括了电压器、滑变电阻器和单片机模块。测试中，将变压器接入电路输入端，滑变电阻器接在输出端作为负载。将220V交流电压接入变压器得到24V作为输入电压，通过调节滑变电阻器改变输出电流的大小，在输出电流达到2.5V时，控制芯片UCC28019关断，达到电路过流保护的作用。通过功率因数测量仪测量电路的功率因数，与所显示的示数进行对比，从而进行功率因数校正。

在输入交流电压US＝24V、输出直流I0＝2A条件下，在输出端测量电压大小。测量输出电压基本稳定在36V。

在输入电压24V，输出电压36V的条件下，调节负载电阻使输出电流在0.2～2.0A范围内变化时，测量输出电压，分别取输出电压的最低点和最高点，分别记为U1和U2，测量结果如表1所示。U2＝36.08V，U1＝35.987V，根据公式（3）得出负载调整率为：

表1　输出电压VOUT与输出电流I0的关系

调节负载，当输出电压达到稳定值36V时，使输出电流为2.0A。调节变压器，使整流电路输入电压IN分别为20V和30V，测量这2种情况下输出电压，取出输出电压的最低点和最高点分别记为U3和U4。测量结果如表2所示。U2＝36.1V，U1＝35.93V，根据公式（4）得出电压调整率为：

在Us＝24V，IOUT＝2A，UOUT＝36V条件下，AC－DC变换电路交流输入侧功率因数可达98%，且稳定性好。

表2　输出电压VOUT与输入电压VIN的关系

在输入电压24V，输出电压36V的条件下，测得系统效率随输出电流变化如图5所示，最高可达93%。

图5　系统效率随负载电流变化曲线

5　结语

本文设计了一种高功率因数的Boost型单相AC－DC变换电路。通过单片机控制PFC芯片UCC28019，实现了功率因数的校正和测量。设计的保护电路能在输出电流达到2.5A时关断PFC芯片保护系统。此外，该电源输出的直流电压能够保持在36V左右，电压调整率和负载调整率分别达到0.047%和0.143%，具有较高的稳定性。功率因数达到98%，系统效率能达到93%。

参考文献

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