單周期臨界導(dǎo)通PFC轉(zhuǎn)換器控制模式及關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著各種電子設(shè)備和產(chǎn)品的快速發(fā)展,以及集成電路制造工藝的不斷進(jìn)步,開關(guān)電源已成為當(dāng)今電子設(shè)備的研究熱點(diǎn)之一,并影響著電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的成功與否。作為開關(guān)電源的主要控制技術(shù)之一,功率因數(shù)校正技術(shù)也在經(jīng)歷不斷的改進(jìn),向著高效率、低成本、低功耗、以及輕薄小的方向發(fā)展。功率因數(shù)校正(PFC)技術(shù)能有效抑制電網(wǎng)一側(cè)的輸入電流波形畸變,減小總諧波失真(THD),從而滿足電網(wǎng)對(duì)開關(guān)電源功率因數(shù)及諧波含量日益嚴(yán)格的要求,特別是能夠滿足更多的便攜式電子產(chǎn)品在

2、小功率應(yīng)用場(chǎng)合的普遍需求。
　　 本文首先對(duì)單級(jí)有源功率因數(shù)校正電路的工作原理和控制模式進(jìn)行了較全面的論述。由于其低成本、低功耗的特點(diǎn),單級(jí)有源PFC通常適用于中低功耗的便攜式電子產(chǎn)品。接下來(lái)對(duì)單級(jí)Boost PFC轉(zhuǎn)換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作原理和穩(wěn)定性進(jìn)行了較為深入的討論,包括電流連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)、電流斷續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)、以及臨界導(dǎo)通模式(BCM)Boost PFC轉(zhuǎn)換器的實(shí)現(xiàn)方法及其工作原理。
　　 對(duì)單周期控

3、制技術(shù)的非線性控制機(jī)理、工作原理、調(diào)制規(guī)律、以及不同工作模式(CCM、DCM、BCM)下單周期Boost轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析研究,提出了穩(wěn)定性工作的條件。采用電壓和電流雙閉環(huán)反饋控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)單周期BCM PFC轉(zhuǎn)換器的整流和穩(wěn)壓功能；根據(jù)環(huán)路穩(wěn)定性特點(diǎn),對(duì)電壓控制環(huán)路和電流控制環(huán)路進(jìn)行補(bǔ)償；基于Simulink建立了單周期PFC轉(zhuǎn)換器的高層次行為模型,仿真和測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了其正確性和可行性。
　　 基于SinoMos1.0μ

4、m BiCMOS工藝,完成單周期臨界導(dǎo)通變頻PFC轉(zhuǎn)換器的電路設(shè)計(jì)?；陔p環(huán)最優(yōu)控制模式,采用多矢量誤差運(yùn)放、可編程鋸齒波振蕩器、過(guò)零檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)變頻控制,有效減少整個(gè)電源系統(tǒng)在輕載與重載時(shí)的功率損失,以及導(dǎo)通損耗和噪聲:去除復(fù)雜的模擬乘法器,簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)PFC控制電路的結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)采用的關(guān)鍵性技術(shù)如下:
　　 1)采用高階曲率補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)電壓源。在一階溫度補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上,利用雙極晶體管的電流增益β隨溫度呈指數(shù)變化的特點(diǎn),對(duì)帶隙基準(zhǔn)進(jìn)

5、行高階溫度補(bǔ)償,同時(shí)為了防止熱振蕩現(xiàn)象的影響,加入帶熱滯回功能的過(guò)溫保護(hù)電路,極大的提高了帶隙基準(zhǔn)的穩(wěn)定性;
　　 2)采用多矢量誤差運(yùn)放和可編程鋸齒波振蕩器,保證系統(tǒng)根據(jù)外接負(fù)載及時(shí)調(diào)整PWM開關(guān)頻率,有效減少整個(gè)電源系統(tǒng)在輕載與重載時(shí)的功率損失,提高有用功率。仿真和測(cè)試結(jié)果表明,該P(yáng)FC轉(zhuǎn)換器能跟隨負(fù)載變化調(diào)整工作頻率,在變頻模式與間歇模式之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換,滿足低壓省電模式要求；
　　 3)采用過(guò)零電流檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)電流環(huán)

6、控制,通過(guò)控制開關(guān)管的開啟時(shí)間實(shí)現(xiàn)單周期臨界工作模式,減小導(dǎo)通損耗和噪聲,避免出現(xiàn)較大的電流間隙,提高了功率因數(shù),采用具有350mV滯回電壓的遲滯比較器提高系統(tǒng)的抗干擾能力,增加峰值電流檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)及前沿消隱電路,獲得盡可能小的電流畸變；
　　 4)采用周期性自啟動(dòng)定時(shí)電路,以及在振蕩器與輔助繞組之間加入分流電阻Rz,使系統(tǒng)能夠根據(jù)輸入線電壓的變化,及時(shí)而準(zhǔn)確地調(diào)整PWM開關(guān)信號(hào)的占空比,從而顯著降低AC輸入線電壓過(guò)零點(diǎn)附近的交越失

7、真現(xiàn)象。
　　 基于SinoMos1.0μm BiCMOS工藝,對(duì)版圖進(jìn)行了物理實(shí)現(xiàn),并對(duì)芯片總體布局布線中需要考慮的問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)的討論,包括器件和單元電路的匹配性、關(guān)鍵路徑的布線、電源和地線的隔離、串?dāng)_噪聲和閂鎖效應(yīng)、以及ESD保護(hù)等。有效芯片面積為1.61mm×1.52mm。
　　 基于SinoMos1.0μm BiCMOS工藝,對(duì)整體電路進(jìn)行了流片驗(yàn)證,測(cè)試結(jié)果表明:所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有較好的功率因數(shù)校正功能,啟動(dòng)電