LT1248在PFC整流電路中的應(yīng)用

引言
lt1248是凌特公司推出的一款功能較強(qiáng)大的pfc（power factor correct）控制芯片。該芯片采用dip16封裝，具有以下特點(diǎn)：

（1）能夠適應(yīng)寬范圍內(nèi)的負(fù)載變化。

（2）采用平均電流控制方法。

（3）輸出驅(qū)動(dòng)電流峰值達(dá)1.5a。

（4）低靜態(tài)工作電流、高開關(guān)噪聲抑制。

（5）內(nèi)部集成了多重的保護(hù)。

（6）特有同步信號處理能力。

lt1248在開關(guān)電源的前級輸入預(yù)調(diào)制器和ups整流側(cè)pfc電路等ac-dc變換場合，能夠很好的控制輸入功率因數(shù)，減少對電網(wǎng)的干擾，有著很高的應(yīng)用價(jià)值。

lt1248的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理

lt1248的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，按功能的不同大體分為三個(gè)部分，基本運(yùn)算單元（含電壓誤差放大器、乘法器、電流放大器）；

保護(hù)單元（含過壓保護(hù)電路、過流保護(hù)電路、欠壓保護(hù)電路、開機(jī)軟啟動(dòng)電路和保護(hù)信號綜合電路）；

功能實(shí)現(xiàn)單元（含pwm比較器、rs觸發(fā)器、同步信號發(fā)生器、振蕩器、圖騰柱和7.5v基準(zhǔn)輸出等）。

基本運(yùn)算單元

lt1248基本運(yùn)算單元的控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。圖中基本運(yùn)算單元將11腳檢測到的輸出電壓反饋信號與內(nèi)部7.5v給定電壓相減，經(jīng)電壓調(diào)節(jié)器后，與6腳檢測到的輸入電壓反饋信號相乘，得到輸入電流給定指令，再與4腳檢測到的輸入電流反饋相減，經(jīng)電流調(diào)節(jié)器，形成控制量，該控制量與三角波比較，生成占空比可調(diào)的pwm驅(qū)動(dòng)脈沖，驅(qū)動(dòng)電路中的開關(guān)管的通斷，最終實(shí)現(xiàn)apfc控制的目的。常見的輸入電流給定信號與輸入電流反饋信號的比較策略有三種：峰值電流比較、滯環(huán)電流比較和平均電流比較。前兩種比較策略所用的器件較少，但是容易受噪聲的干擾，使系統(tǒng)控制精度降低。lt1248采用的是平均電流比較的策略，很好的提高了控制的精度。同時(shí)，lt1248采用的是電壓電流雙環(huán)控制的方法，電壓環(huán)的輸出成為電流環(huán)的給定，這樣即保證了輸出電壓的恒定，又保證了輸入電流與輸入電壓的同相位，同時(shí)也提高了系統(tǒng)控制動(dòng)態(tài)特性。

保護(hù)單元

lt1248除了可以完成基本的驅(qū)動(dòng)開關(guān)管功能之外，還集成了完善的過壓、過流保護(hù)和欠壓封鎖等功能。

過壓保護(hù)在芯片內(nèi)部有三重保護(hù)：

（1）由8腳ovp檢測到輸出電壓信號，與7.9v相比，比較器輸出低電平封鎖乘法器的輸出，使乘法器輸出電流為零。

（2）因?yàn)殡娏鞣糯笃饔惺д{(diào)電壓，當(dāng)im＝0a時(shí)，電流放大器也會(huì)有輸出，輸出電壓可能繼續(xù)增大，這時(shí)，vsense檢測過大，使7腳vaout<2.2v，比較器m1輸出高電平，7  a的電流源通過二極管對isense的外接電阻充電，抵消電流放大器反相輸入端的負(fù)分量，使電流放大器輸出近似為零。最終將輸出電壓誤差維持在2v之內(nèi)。

（3）在外圍電路中可以通過檢測輸出電壓來設(shè)置en/sync腳，構(gòu)成第三重的過壓保護(hù)。確保電路安全可靠。

過流保護(hù)在芯片內(nèi)部有兩重保護(hù)：

（1）由腳12外接的電阻rset設(shè)置的，根據(jù)公式 (略)，通過設(shè)定rset，就可以控制im的大小，而im又和輸入電流存在一定的比例關(guān)系（由外圍電路選擇有關(guān)），進(jìn)而控制輸入電流的最大值。

（2）保護(hù)（1）中，只能限制im的最大值不變，電流放大器仍有輸出信號，此時(shí)如果輸入電流還要增大，則通過腳2（pklim）直接檢測過流信號，復(fù)位rs觸發(fā)器，形成第二重過流保護(hù)。

欠壓封鎖功能通過一個(gè)帶滯環(huán)的比較器方便的實(shí)現(xiàn)。比較器同相輸入端接vcc，反相端比較上限為16v，下限為10v，當(dāng)vcc>16v時(shí)，開放軟啟動(dòng)控制器，vref輸出7.5v。只要vcc不低于10v，lt1248就一直工作正常。一旦vcc<10v，封鎖軟啟動(dòng)控制器和vref，輸出脈沖同時(shí)也被與門封鎖。<>

lt1248在pfc整流電路中的應(yīng)用

本設(shè)計(jì)的pfc整流電路的技術(shù)指標(biāo)為：

輸入電壓范圍：150vac~270vac；

額定輸入電壓：220vac；

額定輸出電壓：380vdc；

滿載輸入電流：6.8aac；

滿載輸入功率：1.5kw；

輸入功率因數(shù)：0.95以上，

具體實(shí)現(xiàn)電路圖如圖3所示。

rc振蕩電路

該電路決定了pfc工作的頻率，r越大，充電電流越小，充電時(shí)間越長，頻率越小。反之，r越小，頻率則越大。頻率越大，輸入電流跟蹤特性越好，輸入諧波越小，但電磁干擾也會(huì)更嚴(yán)重一些，對器件的要求也相應(yīng)越高。該芯片頻率的計(jì)算公式為：  f=1.5/(r_{set} c_{set})。一般來說，pfc可以工作在100khz左右，隨著輸入功率的增大，工作頻率要相應(yīng)降低。本設(shè)計(jì)考慮輸入功率較大，選擇f＝20khz。此時(shí)，選rset＝75k  ，cset＝1n。

輸出電壓檢測和電壓誤差放大器

在直流輸出端接電阻分壓，分壓比為50﹕1，為了不消耗過大的能量，提高效率，取分壓電阻為1m 和20k 。該檢測電壓直接送ovp用來檢測過壓保護(hù)。同時(shí)，通過電阻r6＝20k  送電壓誤差放大器的反相端輸入vsense。反饋電路的參數(shù)設(shè)計(jì)為：r7＝330k ，c6＝0.47 f，c5=0.047 f，這里c5較小，起濾波作用，忽略c5得該電路傳遞函數(shù):

比例系數(shù)為－16.5，積分時(shí)間常數(shù)為0.1551。

輸入電流檢測和電流誤差放大器

由于rset＝75k ，im(max)＝3.75v/

75k =0.05ma，而主電路的最大電流值為：

(這里k可選1.1~1.3之間的值)

電流互感器檢測比為100:1，故is=170ma，由公式，取r3=3.4k歐姆 ，，取r3=3.4k歐姆  ，rs＝1歐姆。
值得注意的是這里的電流檢測值不是由isense直接輸入的，而是通過mout輸入一個(gè)負(fù)電平，與im送來的給定電流值相加，形成加法電路，實(shí)際還是相當(dāng)于給定電流與反饋電流相減的作用。

電流誤差放大器的反饋參數(shù)設(shè)計(jì)為：c3＝100pf，c4＝1nf，r4＝4k ，r5＝20k 。

過流保護(hù)電路

因?yàn)閮?nèi)部第一重過流保護(hù)設(shè)的是17a，所以這里設(shè)20a為第二重的過流保護(hù)。rs左端電壓為 0.2v，又因?yàn)槟_2（pklim）有50  a的靜態(tài)輸出電流，所以得：

取r9＝1k ，r10＝51k 。

軟啟動(dòng)電路

lt1248上電后，輸出電壓還沒有升到額定值，此時(shí)如果給定的電壓突然加上，就會(huì)使電壓誤差放大器輸出過大。所以，在13引腳（ss）接上一個(gè)rc充電的回路，內(nèi)置一個(gè)12  a的電流源，上電后由電流源給ss端充電，直到＋7.5v停止。這里設(shè)r＝50k ，c＝0.01 f，充電時(shí)間常數(shù)為rc=5 104  10 8＝0.5ms。大約3～5個(gè)時(shí)間常數(shù)后電容上電壓充滿。 驅(qū)動(dòng)脈沖

輸出電路

外接一個(gè)10 的電阻接到mosfet驅(qū)動(dòng)端，防止驅(qū)動(dòng)過流，同時(shí)通過一個(gè)15v的穩(wěn)壓管接地，將該處電平鉗位在15v。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果波形與分析

圖4是100%阻性滿載時(shí)，pfc整流輸入電壓與輸出電壓的波形，電壓探頭10倍衰減，電流鉗的檢測比為1a/10mv，由實(shí)驗(yàn)波形可以看出，電流波形和電壓波形基本同相位，且近似為正弦，很好的做到了輸入功率因數(shù)校正的作用。

圖5是用wavestar軟件分析的100%阻性滿載時(shí)輸入電流波形的thd，計(jì)算得thd＝3.152%。

另外，在試驗(yàn)過程中，做了空載，30%，60%，100%，120%，150%等負(fù)載下的電流波形試驗(yàn)。因?yàn)橄嗖?度功率因數(shù)為99.98%，相差10度也有98.48%，所以電流的波形畸變率是關(guān)系到功率因數(shù)高低的重要標(biāo)志。表1記載的是各種負(fù)載情況下輸入電流波形thd值。表中發(fā)現(xiàn)空載時(shí)情況最為惡劣，不僅電流波形thd高，而且電流與電壓相位差大，隨著負(fù)載的增加，相位差基本趨于零，電流波形thd下降，到滿載時(shí)降到最低，接著又隨負(fù)載的過載而略有增加。這是因?yàn)楫?dāng)負(fù)載變化時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的控制模型發(fā)生了變化，而基于滿載時(shí)設(shè)計(jì)的電壓、電流反饋的pi參數(shù)是一個(gè)定值，所以造成了空載、輕載時(shí)輸入電流thd過大的情況。

總結(jié)

本文對pfc控制芯片lt1248的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理做了細(xì)致闡述，介紹了應(yīng)用lt1248的pfc整流電路的設(shè)計(jì)實(shí)例，最后給出了試驗(yàn)的波形并進(jìn)行了分析。采用lt1248做控制芯片的pfc電路，設(shè)計(jì)簡單，輸入電流波形好，省去了復(fù)雜的軟件編制，并集成了多重保護(hù)，做到了硬件電路設(shè)計(jì)的小型化與簡單化，能夠在實(shí)際生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。