基于NCP1653的300W PFC研制

摘要：以功率因数控制芯片NCP1653 为核心，设计了一种宽电压输入范围，固定升压输出的300WBoost 有源功率因数校正器（APFC）。较详细地分析并讨论了有源功率因数校正技术、NCP1653 芯片的特点和参数、升压电感器设计等关键技术。实验结果表明，设计的以NCP1653 为核心的变换器，能在90～260V 宽输入电压范围内得到400V 的稳定直流电压输出，具有电路简单，效率高，网侧功率因数接近1，总谐波畸变率及成本低等优点。

关键词：功率因数；校正；变换器/开关电源

引言

传统开关电源的前置级AC/DC 变换部分一般都采用二极管桥式整流加大容量滤波电路，功率因数一般仅为0.50-0.76，对电网造成了严重的污染，成为电力公害。国家技术监督局1994 年颁布的《电能质量公用电网谐波》标准GB/T14549-93，国际电工学会1988年对谐波标准IEC555-2 进行了修正，欧洲制定了IEC1000-3-2标准。传统整流器已达不到这些新规定的要求，面临前所未有的挑战。因此，功率因数校正（PFC）技术已成为目前电源行业研究的热点。采用升压变换器结构的有源PFC 电路，在250W以上功率电源设计中得到了广泛的应用。它的优点在于能够实现自动宽范围的交流工作；高稳压总线电压允许采用较小的电容，以获得所需的保持时间；能显著提高功率因数（PF），其PF 典型值可大于0.98；能降低总谐波畸变率（THD），其THD典型值小于5%。

目前，Unitrode，Motorola，Silicon，General 及Siemens等公司相继推出了各种有源功率因数（PF）专用芯片， 如UC3852，UC3854，UC3855，MC34261，ML4812，ML4819，TDA4814，TDA4815，CS3810等，并已广泛用于小功率开关电源、不间断电源（UPS）等各个方面。其中新型有源PFC芯片NCP1653只有8个管脚，所需的外围器件很少，简化了PFC电路，降低了成本，且控制性能优良。本文基于NCP1653 设计，研制出一种宽电压输入范围，固定升压输出的300W的功率因数校正器。实验结果表明，变换器能在90-265V 的宽电压输入范围内输出稳定的400V直流电压，输入电流正弦度好，PF高，THD小。

基于NCP1653 的APFC 控制方案

NCP1653 芯片的特点
NCP1653 是为固定开关频率fs 的连续电流导通模式（CCM）Boost 变换器设计的PFC 控制器IC，其电流控制方式可采用峰值电流控制，也可采用平均电流控制。NCP1653 的输出级提供的电流能直接驱动PFC 电路中的MOSFET 功率管（VQ）。NCP1653 芯片的特点之一是只需连接少量的外围器件，就能实现单位PFC，而且通过调整外接电阻，NCP1653 既能实现传统的固定输出电压Uo控制，也能实现变Uo控制。变Uo控制的优点在于能使Uo 随交流输入电压uin范围的变化而变化，这样在uin低时，VQ的导通时间变小，从而使VQ的电流有效值减小，这可降低其导通损耗，同时VQ的截止电压Uf 变小，即Uf=Uo，这也降低了它的开通损耗，并且还能减小电感电流iL 的脉动。

该芯片能提供过电压保护（OVP）、欠电压保护（UVP）、过功率限幅（OPL）、过电流保护（OCP）。具有热关断（TSD）功能。芯片的功耗小，鲁棒性和可靠性好，性价比高，是一种理想的PFC 电路控制器芯片。本文重点研究了基于NCP1653 的固定直流电压输出工作方式的应用。

基于NCP1653 的APFC 控制技术

图1 示出基于NCP1653 的固定直流输出电压的有源PFC 电路原理框图。

它主要由控制器IC 芯片NCP1653，VQ、升压电感器、升压二极管、输出滤波电容及反馈环路组成。

NCP1653 采用独特的校正技术，使PFC 电路的输入阻抗保持恒定，从而使PFC电路的输入电流与输入电压成正比，实现了PFC。VQ的导通受控于NCP1653，VQ导通后，电感电流线性上升，二极管截止，滤波电容通过负载放电。当取样电流与参考电流相等时，控制器使VQ关断，电感器产生的自感电势使二极管导通，储能电感通过二极管对电容放电，电感电流线性下降。随后第2 个开关周期开始，重复上述过程。

图2 示出平均电流控制模式下，NCP1653PFC 调制及其控制波形。
图中VM—— PFC 占空比调制电压信号
Uramp—— 斜坡电压
Vgo—— 输出驱动信号
Vref—— 参考电压信号
Ich—— 充电电流

基于NCP1653 的AC/DC变换器电路设计

图3 示出基于NCP1653的300W PFC升压变换器电路。它采用固定的开关频率fs 平均电流控制，fs=100kHz，交流输入电压uin=90-265V，直流输出电压Uo=400V，最大输出功率Pomax=300W。

图3 NCP1653 控制的升压变换器电路图

EMI 滤波器和整流器的设计
高频开关电源产生的电磁干扰（EMI）主要以传导干扰和近场干扰为主。前者，有共模干扰和差模干扰两种基本模态。

EMI 滤波器是目前使用最广泛，也是最有效的开关电源传导干扰抑制方法之一。EMI 滤波器不但要抑制共模干扰，也必须抑制差模干扰。图3 示出设计的EMI 滤波器。它接于电源输入端与整流器之间，内含共模扼流圈L ₁和滤波电容C₁～C ₄。

共模扼流圈也称共模电感，主要用来滤除共模干扰。它由绕在同一高磁导率上的两个同向线圈组成，可抵消差分电流。其特点是对电网侧的工频电流呈现较低阻抗，但对高频共模干扰，等效阻抗却很高。C ₂ 和C ₃ 为Y 电容，跨接在输入端，并将电容器的中点接地，能有效抑制共模干扰，其容量约为2.2 nF～0.1μF；C ₁ 和C ₄ 为X 电容，用于滤除差模干扰，其典型值在0.01～0.47μF 之间。

模块整流部分采用全波整流方式。在实际设计中，为充分散热，把4 个整流二极管管芯直接焊接在铝基板上，采用汇流条搭接和固定。

升压电感的设计
升压电感器的设计至关重要，其电感量L 一般根据设定输入电流最大值I_{in max} 时的电感电流i_L 开关脉动量ρ来确定。其计算公式为：

电感电流最大有效值为：
　

设计中，L 取900μH，I _{L max}=5.6A，I _{L rms max}=3.6 A。开关电源的变压器、电感磁芯一般是低磁场下使用的软磁材料，具有高磁导率、低矫顽力和高电阻率。虽然可制作磁芯的软磁材料很多，但适合制作高频条件下的有源PF 电感只有铁氧体磁芯、磁粉芯和非晶态磁芯3种。这3类磁芯各有所长，都可用来设计APFC升压电感器。本设计中，升压电感器采用两副4 块EE55铁氧体磁芯复合而成，其气隙为1.5mm。绕组导线采用一条厚度为0.2mm，宽度为33mm的红铜带叠合，压紧在可插4 块EE55 磁芯的塑料骨架上，再接焊锡导线引出，用多层耐高压绝缘胶带扎紧包裹。这种薄铜带工艺绕制的Boost 储能电感，对减小高频集肤效应，改善Boost变换器的开关调制波形，降低磁件温升均起重要作用。

输出滤波电容设计
输出滤波电容C_of 一般根据设定的最大输出电压纹波值确定。其计算公式为：



设计中取（δUPK）_max=7%Uo，ω=100π，得到的C_of=117μF。

NCP1653 外部反馈回路参数设计
图3 中，Rfb是接在Uo与引脚1之间的总反馈

电阻。其值为：

式中U_pin1—— NCP1653 引脚1 的电压，U_pin1≈2VI_ref—— 芯片内部的电流源，I_ref=200μA计算可得R_fb=1.99MΩ，设计中取R_fb1=R_fb2=R_fb/3=680kΩ，R_fb3=630kΩ，C_fb1=1nF，C ₂=100nF。

NCP1653 输入电压检测元件参数设计

图3 中输入电阻的计算公式为：



式中U_pin3—— 引脚4 的输入电压，U_pin3=4VI_pin3—— 引脚3 的输入电流，I_pin3=15μA计算可得R_in ≈5.13ΜΩ。由R_in =R_in1 +R_in2，R_in1≈10R_in2 可得，R_in1=4.7MΩ，R_in2=470kΩ。由C_in2=50ms/R_in2 的计算可得C_in2 =106nF， 设计中选择

C_in2=100nF/63V，C_in1=1nF。

NCP1653 电流检测元件参数设计

根据检测电阻
可算得

Rsense≤110mΩ，设计中取Rsense=0.1Ω/1.4W。

根据设定的最大电感电流确定：


计算可得R_cs1=2.8kΩ。R_cs2 用于调节PFC 的最大输出功率。其计算公式为：


计算可得R_cs2=57kΩ，设计中取R_cs2=56kΩ。


计算可得C_cs2=893pF，设计中取C_cs2=1nF。

实验结果

对设计的PF 进行了实验研究。结果表明，该变换器在输入电压uin=90-265V范围内，能获得稳定的直流输出电压U _o=400V，在P_omax=300W满载下，效率达到95%，PF=0.99，THD<5%。图4a 示出PFC 满载下u_in=220V时的U_in和输入电流Iin实验波形。图4b 示出PFC 不同输出负载下u_in=220V时的实测PF 曲线。可见，在100-300W 的功率段，PFC 电路的PF=0.96 以上。图4c 示出PFC满载下不同U_in 时的实测效率η曲线。可见，U_in 在90~265V的范围内，PFC的满载效率高于92%。


图4　实验结果

结论

采用NCP1653 控制芯片研制的单相功率因数校正电路，能够在宽输入电压范围内正常工作，各项性能指标均比较理想，电路结构简单，电路元器件少，体积小，成本下降，系统的可靠性高，有较高的推广应用价值，值得做进一步的完善研究。