基于UC3846的有源嵌位单级PFC开关电源

电路

一般地，普通的单级隔离式PFC变换器与传统的DC／DC变换器相比，具有电压应力高、损耗大的缺点。针对上述问题，本文设计了一种单级PFC变换器，采用带有源嵌位和软开关的Boost-Flyback拓扑结构，从而有效地限制开关管的电压尖峰。电路主、辅开关管在软开关条件下，减少了其自身的开关损耗，提高了电源系统的整体输出效率。另外，主、辅开关管共用一组控制电路，有较强的实用性。
      1、系统设计

      1．1、系统结构

      一个完整的、独立工作的AC／DC开关电源通常包括EMC（electromagneccompability）滤波整流电路、主电路（含功率变换器、隔离变压器）、PWM（pulsewidthmodulaon）产生及控制电路、驱动电路、输出电路、辅助电源电路、取样电路。本文设计的系统结构框图如图1所示。其工作原理是：输入交流市电220V，经过EMC滤波整流电路、主电路、输出电路后，得到24V直流电压；同时，采用电流取样和电压取样构成双闭环控制机制，经PWM控制芯片调节PWM波形，再通过驱动电路控制功率开关管的导通和关断，从而实现24V直流电压的稳定输出。

1．2、主电路

图2是带有源嵌位与软开关的单级PFC变换器的主电路拓扑结构。本文在基本的单级隔离式PFC变换器电路的基础上，添加了一个辅助开关管Q，和一个嵌位电容c。，构成有源嵌位；利用变压器漏感作为谐振电感L，主开关管Q和辅助开关管Q：的输出电容及电路中其他的寄生电容总和作为谐振电容c，（虚线部分），通过L和c的谐振来实现软开关。

      1．3、PWM产生及控制电路和驱动电路

      就整个系统而言，PWM产生及控制电路和驱动电路就像人的大脑，控制着整个系统的正常运行。本文舍弃传统的PFC专业芯片（如L6561），选用PWM控制芯片UC3846。这种方案不仅可以实现对PFC升压电路和反激式电路的实时控制，且能简化外围电路，降低成本。
      UC3846是美国德州仪器生产的一款高性能固定频率电流型PWM控制芯片，采用双路互补输出，常作为半桥、全桥双极性变换器的驱动信号源。该芯片的优点是功能齐全，内置高频振荡器、差动电流检测放大器、精密基准电压、欠电压锁定电路以及软启动电路，具有自我保护功能。外部控制电路较为简单，工作频率最高可达500kHz，适应于-165—150℃的外部环境，输人电压范围为8～40v。该芯片的结构框图如图3所示。

本文选用UC3846作为PWM控制芯片，引入电压、电流双闭环结构，采用峰值电流模式。在图2的基础上，通过Saber仿真软件加以辅助设计，同时对相关参数进行详细计算，构建其他功能电路H，最终得到本文样机的电路原理图，如图4所示。

      由于篇幅有限，在此仅对PWM产生及控制电路和驱动电路进行详述。UC3846的2脚产生5．1V的基准电压，1脚通过电阻R和R分压（R与电容C。并联），得到2．5v左右的电压，以实现电路的软启动功能；3，4脚分别作为电流采样比较器的反、正相输入端，其中3脚接地（GND），4脚接主开关管Q（流过Q，的电流作为电流采样信号），同时通过电阻和电容c8接至振荡器CT端，进行斜坡补偿；5脚通过电阻R6和R1分压，得到2．5V的电压，作为电压误差放大器正相输入端的基准；6脚接输出电压的采样信号（该采样信号需经过光耦PC817隔离）；7脚作为误差放大器的输出端，通过电阻R和电容．c．与6脚相连，构成PI调节器；8，9脚作为振荡器的震荡电容电阻端，分别接电容c，和电阻，实现系统开关频~f=-50kHz；10脚悬空；11脚和14脚产生两路互补方波信号（有一定的死区时间），分别输入到高压浮动驱动集成模块IR2113输入端的14脚和12脚；经自举电路后（自举二极管D、自举电容C），IR2113的输出端1脚和、8脚输出15V左右的互补信号，分别驱动主开关管Q1和辅助开关管Q2
      2、系统主要器件参数

      本文设计的开关电源系统参数如下：开关频率．50kHz，额定输出电压Uo=24V，输出的最大电流Io=2A。经Saber仿真辅助设计和相关计算，系统主要器件参数如下。
      1）PFC电感L：选用电感量1mH、线径0．045cm的贴片电感。
      2）储能滤波电容C18：通过计算得到C18容量为60uF，而在实际电路中，采用100uF／450V的铝电解电容。

      绕组采用27号线（线径等于0.040cm），单股绕制14匝。
      3、样机测试结果与分析

      输入交流市电220V，对不加PFC部件与PFC部件正常工作的2种情况对样机进行测试，其输入电压、电流波形如图6所示。

      由图6可知，与不加PFC部件的输入电压、电流波形相比，PFC部件正常工作时的输入电流波形没有发生畸变，且与输入电压的相位差几乎为零。
      利用Fluke43B电能质量分析仪对样机进行实测，系统的功率因数达到了0．992。这也说明了本系统实现了功率因数校正的功能。
      PFC部件正常工作时的电压和电流采样波形如图7所示。

由图7可知，PFC部件工作在断续模式，采用峰值电流模式控制，电压采样波形较为平稳，这也间接反映了输出电压是稳定的。
输出电压波形如图8所示。

      由图8可知，系统的输出电压始终恒定在24V，除示波器探头引起的杂波干扰外，其自身纹波很小，达到了预期的效果。
      输人电压ui=220V且满载时，测得输入电流有效值Ii=0．247A，计算得到输人功率Pi=UiIi=54．4W，输出功率Po=UoIo=48W，整机效率n=Po/Pi=0．88，因此，对于5Ow功率级的电源而言，该值满足设计要求。
      4、结语

      本文设计了一款基于PWM控制芯片UC3846的单级PFC开关电源。介绍系统整体方案的同时，详细剖析了系统电路原理。针对变压器参数的设计难题，给出了较为详尽地推导和选取原则。通过样机测试表明了，功率因数、满载效率和输出电压纹波均满足设计要求。可见，单级PFC技术能够有效地提高系统的功率因数；有源嵌位软开关技术可以降低开关管的损耗，从而提高电源效率。

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