基于TPS759XX多片信號處理系統(tǒng)的電源設(shè)計
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2. 2 電路結(jié)構(gòu)及工作原理
基于MC33262PFC 控制芯片的AC/ DC 變換器電路結(jié)構(gòu)如圖3 所示. 圖中BD1 為整流橋,CY為干擾濾波電容,TR 為熱敏元件,ZD1 為穩(wěn)壓管,EC 為電解電容,VR 為壓敏元件, FUSE 為保險絲,1～8分別表示芯片引腳號.
圖3 所示APFC 電路主要由控制器IC 芯片MC33262 、MOSFET 功率管Q1 、升壓電感器L4 、升壓二極管D2 、輸出濾波電容EC2 及反饋環(huán)路組成.APFC 變換器的工作原理基于升壓電感L4 的電流與電壓之間的物理關(guān)系. 在Q1 導(dǎo)通時,升壓二極管D2 截止,濾波電容EC1 通過負(fù)載放電. 當(dāng)Q1 由導(dǎo)通躍變?yōu)殛P(guān)斷時,L4 產(chǎn)生的突變電勢使D2 正向偏置導(dǎo)通,L4 中的儲能經(jīng)D2 釋放,對EC2 充電. 由于Q1 和D2 交替導(dǎo)通,使整流橋輸出電流經(jīng)L4 連續(xù)流動. 這就意味著整流二極管在交流電源的半個周期內(nèi),導(dǎo)通角趨于180°. 該電路采用雙環(huán)反饋控制方案. 內(nèi)環(huán)反饋的作用是將全波整流輸出直流脈動電壓通過R003 和R004 組成的電阻分壓器取樣輸入到MC33262 第3 腳,以保證通過L4 的電流時刻跟蹤輸入電壓按正弦規(guī)律變化的軌跡. 通過L4 的三角形高頻電流的峰值包絡(luò)線正比于輸入交流電壓,其平均電流則呈正弦波形,這就意味著電源輸入電流也呈正弦波. 外環(huán)用作APFC 變換器輸出直流電壓的反饋控制. 直流輸出電壓通過R005 和R009組成的電阻分壓器取樣輸入到MC33262 的第1 腳,MC33262 輸出PWM 驅(qū)動信號調(diào)節(jié)MOSFET 功率管的占空比,以使輸出電壓穩(wěn)定.
圖3 APFC實驗電路結(jié)構(gòu)圖
交流輸入電壓經(jīng)橋式整流,輸出100 Hz 的正弦半波直流脈動電壓,能夠比較真實反映交流(AC) 輸入電壓波形的全波整流電壓,經(jīng)過電阻分壓器分壓、小電容C004 濾除高頻噪聲輸入到芯片內(nèi)部的乘法器. 濾波電容EC2 兩端直流電壓通過R005 和R009分壓輸入到芯片內(nèi)部誤差放大器的反相端,并與誤差放大器同相端精密參考電壓V ref比較,產(chǎn)生一個直流(DC) 誤差電壓,作為一象限乘法器的另一路輸入. 當(dāng)AC 輸入電壓從零按正弦規(guī)律變化到峰值時,乘法器的輸出控制電流傳感比較器的門限,迫使通過MOSFET 功率管Q1 的峰值電流跟蹤AC 輸入電壓的變化軌跡. 流過MOSFET 功率管Q1 的電流在電阻R010 上轉(zhuǎn)換為電壓信號,輸入到芯片第4 腳,經(jīng)過芯片內(nèi)置阻容( RC) 低通濾波器, 輸入到MC33262 芯片內(nèi)電流檢測比較器的正向輸入端. 電感L4 電流的波形呈高頻鋸齒三角波,在電流值從零增長到峰值的過程中,Q1 是導(dǎo)通的. 乘法器的輸出則是電感峰值電流的參考電壓,只要在R011 上的傳感電壓超過電流檢測比較器的門限電壓,片內(nèi)邏輯電路動作,輸出MOSFET 功率管關(guān)斷信號. 升壓電感L4 的副邊繞組Ns 將感應(yīng)電壓經(jīng)D1 整流EC1 濾波,作為MC33262 芯片啟動后的輔助電源;Ns 還用做L4 的高靈敏度的電流傳感器. Ns 將流過L4 的電流檢測后,經(jīng)限流電阻R007 輸入到片內(nèi)零電流檢測器,只要電感電流一降至芯片所設(shè)置的“零”電平, 零電流檢測器則通過置位門鎖驅(qū)動MOSFET 導(dǎo)通.
升壓電感器L4 選用鐵氧體材料鐵芯和李氏漆包線繞制,原副邊線圈匝數(shù)比為60/ 6. 原邊Np 繞組的電感為580μH ,副邊Ns 是輔助電源及零電流檢測繞組.
3 實驗結(jié)果
實驗結(jié)果顯示該AC/ DC 變換器在較寬廣的輸入電壓范圍下獲得高度穩(wěn)定的直流電壓400 V 輸出,紋波峰峰值在8 V 以下,輸出額定功率達(dá)150W ,滿載下效率η= 95 % ,功率因數(shù)λ≥0. 99 ,輸入電流總諧波畸變D 6 %. 圖4 和圖5 所示記錄了芯片3 腳的采樣輸入電壓、交流輸入電流波形. 圖6 所示為MOSFET 上源極電阻上的采樣電壓波形,它反映了流經(jīng)MOSFET 上的電流波形,即電感儲能階段電感電流波形. 可看出由于MOSFET 開關(guān)頻率很高(將近70 kHz) ,在開關(guān)關(guān)斷過程中源極電阻上有較強(qiáng)的干擾電流流過,示波器記錄波形上出現(xiàn)不少尖峰毛刺. MC33262 芯片內(nèi)已預(yù)先設(shè)置了RC濾波器對該信號做濾波處理,不過一般可在4 腳與源極電阻間考慮再增添一外部RC 濾波電路,增強(qiáng)抗干擾效果.
圖4 芯片3 腳電壓采樣輸入波形
圖5 輸入電流電阻采樣波形
圖6 MOSFET上導(dǎo)通電流電阻采樣波形
4 結(jié)語
由MC33262 構(gòu)成的功率因數(shù)校正電路外圍結(jié)構(gòu)簡單,電路元器件少,電路的體積和成本下降,提高了系統(tǒng)的可靠性. 目前這種APFC 技術(shù)已經(jīng)在開關(guān)電源、電子鎮(zhèn)流器等諸多領(lǐng)域得到了應(yīng)用. 該APFC 電路采用峰值電流控制方式,屬于準(zhǔn)連續(xù)電流模式,MOSFET 開關(guān)頻率很高,這對EMI 濾波電路的設(shè)計有較高的要求. 不過該系列芯片與其他采用連續(xù)模式的APFC 芯片相比有著較高的性價比,值得作進(jìn)一步完善研究.
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