基于FPGA的1553B通信模塊的設(shè)計

　　有源功率因數(shù)校正(active POWER factor correction，APFC)是高效、低污染地利用電能的重要途徑，它是在橋式整流器與輸出電容濾波器之間加入一個功率變換電路，使功率因數(shù)接近1。有源功率因數(shù)校正電路工作于高頻開關(guān)狀態(tài)，具有體積小、質(zhì)量輕，效率高等特點，已成為電力電子技術(shù)研究的新熱點。

　　2 APFC的工作模式比較

　　有源功率因數(shù)校正(APFC)電路，根據(jù)電感電流是否連續(xù)，其工作模式可分為連續(xù)導(dǎo)電模式(Continuous ConductionMode，CCM)、斷續(xù)導(dǎo)電模式(Discontinuous Conduction Mode，DCM)和臨界導(dǎo)電模式(Boundary Conduction Mode，BCM)3種。這3種工作模式的特點比較如表1所示。本文APFC電路設(shè)計采用BCM的工作方式。

　　3 BCM功率因數(shù)校正(PFC)電路工作原理

　　圖1是臨界導(dǎo)電控制模式實現(xiàn)Boost型PFC電路的原理圖及其半個工頻周期內(nèi)功率開關(guān)管的控制波形和電感電流波形。圖1(a)是一種實現(xiàn)變頻控制方案的電路原理圖，其中誤差放大器將輸出電壓的反饋信號和2．5 V基準(zhǔn)信號相比較后放大，產(chǎn)生的輸出信號和交流輸入電壓檢測信號共同輸入模擬乘法器．使模擬乘法器產(chǎn)生一個和輸入電壓同頻同相的半正弦波輸出信號。當(dāng)功率管開啟時，電阻R4對電感電流進(jìn)行檢測，當(dāng)電感電流達(dá)到模擬乘法器的輸出時，電流比較檢測器輸出一控制脈沖，觸發(fā)RS控制邏輯部分使功率管關(guān)斷，電感開始放電，這樣就保證電感電流的峰值包絡(luò)線是與輸入電壓同頻同相的半正弦波。當(dāng)電感放電時，用電感的副邊輸出對電感電流過零檢測，為電感放電完畢時，RS控制邏輯部分立刻使功率管重新導(dǎo)通。整體電路采用電壓-電流的雙環(huán)反饋控制、利用變頻控制法實現(xiàn)Boost型PFC電路，功率因數(shù)接近1。

　　4 BCM PFC電路的實現(xiàn)

　　BCM Boost型PFC電路采用變頻控制，集成控制電路外圍器件少，體積小、質(zhì)量輕，適用于小功率開關(guān)電源。這里以控制器件MC33262為核心，構(gòu)成電路原理圖如圖2所示。主電路采用Boost型電路，控制電路主要由MC33262器件、啟動電路、輔助電源、電流檢測電路、電壓檢測電路等構(gòu)成。

　　4．1 電路工作原理

　　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的半波電壓通過R2和R4組成的電阻分壓器取樣輸入到MC33262的3引腳，以保證通過電感升壓器原邊的電流跟蹤輸入電壓按正弦規(guī)律變化的軌跡。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R5和R7組成的電阻分壓器取樣輸入到MC33262的1引腳，MC33262輸出PWM驅(qū)動信號調(diào)節(jié)功率管VQ1的占空比，以使輸出電壓穩(wěn)定電壓。當(dāng)AC輸入電壓從0 V按正弦規(guī)律變化至峰值時。乘法器的輸出控制電流傳感比較器的門限，迫使通過功率管VQ1的峰值電流跟蹤AC輸入電壓的變化軌跡。

　　4．2 電路的設(shè)計

　　根據(jù)圖2所示電路原理，電路技術(shù)指標(biāo)如下：最大輸出功率Pn為150 W，輸入電壓范圍：90～270 V，輸出電壓Uo為400 V，輸入電網(wǎng)頻率fac為50 Hz，變換器的效率η為90％，小開關(guān)頻率fmin為25 kHz，輸出電壓最大紋波峰-峰值UOP-P為8 V，輸出過壓保護(hù)點Uovp為440 V。

　　4．2．1 開關(guān)頻率的設(shè)計

　　半個工頻周期內(nèi)開關(guān)頻率的表達(dá)式為：

　　開關(guān)頻率f(t)在給定輸入電壓的工頻周期內(nèi)隨時間變化，功率越小，開關(guān)頻率越大，理論上在輕載情況下，開關(guān)頻率可以達(dá)到幾兆赫茲，但頻率越高，開關(guān)損耗就越大，因此有些臨界導(dǎo)電模式的控制器件有最大開關(guān)頻率的限制問題。MC33262的最大頻率約400 kHz。

　　4．2．2 電感的設(shè)計

　　電感的設(shè)計必須保證電路在整個的工作區(qū)間內(nèi)都工作在BCM。因此，可推導(dǎo)出主電感表達(dá)式為：

　　理論上如果給出最小的開關(guān)頻率，則主電感的最大值在輸出功率最小，輸入電壓最大時產(chǎn)生。給定的PFC電路最小開關(guān)頻率偏小可減少開關(guān)損耗，偏大可減小電感的體積，大多設(shè)計是將25 kHz作為首選頻率。這里的電壓設(shè)計指標(biāo)范圍為90～270 V，在輸入電壓Uin為270 V時產(chǎn)生fmin代入式(2)可得：L=398μH。該設(shè)計L取420μH。

　　4．2．3 輸出二極管的選擇

　　BCM解決了二極管VD的反向恢復(fù)問題，為了減小開關(guān)管的損耗，可采用快速恢復(fù)二極管，由于開關(guān)電源工作頻率都在20 kHz以上，快速恢復(fù)二極管和超快速恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)時間減小到了毫微秒級，這就減小功率器件本身的損耗，大大提高了電源效率。該設(shè)計選擇IDmax=7．9 A。同樣，考慮到一定的裕量．二極管的電壓應(yīng)力應(yīng)至少大于輸出過壓保護(hù)點440 v。因此該二極管型號為FR10J，其技術(shù)參數(shù)為10 A，600 V。

　　4．2．4 濾波電容的設(shè)計

　　在PFC電路中。通常在整流橋的輸出端接一只小電容，用于濾除由高頻開關(guān)電感電流的紋波引起的噪聲。如果該電容取值太小，可能無法較好濾去輸入的高頻噪音，但其取值也不能太大，否則會引起較大的輸入電壓偏移。濾波電容的最大紋波電壓用△UCin(max)表示，一般情況下，可取該值小于最低輸入電壓峰值的5％，則輸入濾波電容的下限值為：

　　這里的最低輸入電壓值為90 V，將設(shè)計指標(biāo)代入式(3)可得輸入電容的最小值Cin=2．59μF。由于整流橋的輸出電壓經(jīng)電阻分壓后用于電流跟隨的基準(zhǔn)，所以過大的輸入電容會使基準(zhǔn)電壓波形發(fā)生畸變，從而使輸入電流的波形同樣發(fā)生畸變，導(dǎo)致功率因數(shù)下降和諧波增加，因此本設(shè)計的電容值為5．6μF，且該電容的耐壓應(yīng)大于輸入電壓的最大峰值，還需考慮一定的裕量。因此，該電路設(shè)計Cin選取5．6μF，630 V的耐壓值。