開關(guān)電源參數(shù)計(jì)算(帶PFC)

1、LITE ONBy StanleyQE Department,QRALITEON electronics (Dongguan) co.,LTD PFCPFC電路原理及其相關(guān)計(jì)算電路原理及其相關(guān)計(jì)算LITE ON一一. .簡介簡介 穩(wěn)定的能源設(shè)備除了能供應(yīng)系統(tǒng)維持正常的功能外并影響整個(gè)系統(tǒng)的特性穩(wěn)定的能源設(shè)備除了能供應(yīng)系統(tǒng)維持正常的功能外并影響整個(gè)系統(tǒng)的特性，再者當(dāng)今能源短缺急需節(jié)約能源潮流的驅(qū)使下，設(shè)計(jì)產(chǎn)生高效率的能源設(shè)，再者當(dāng)今能源短缺急需節(jié)約能源潮流的驅(qū)使下，設(shè)計(jì)產(chǎn)生高效率的能源設(shè)備，減少能源浪費(fèi)是為眾所追求的目標(biāo)。并且在電力品質(zhì)與電力性能方面也備，減少能源浪費(fèi)是為眾所追求的目標(biāo)。并且在電

2、力品質(zhì)與電力性能方面也必須有較嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，例如：較大的額定功率必須有較嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，例如：較大的額定功率, ,較小的雜訊干擾，較理想的較小的雜訊干擾，較理想的能源使用率等等，都是設(shè)計(jì)電路必須考慮的問題，而電源轉(zhuǎn)換器之功率因數(shù)能源使用率等等，都是設(shè)計(jì)電路必須考慮的問題，而電源轉(zhuǎn)換器之功率因數(shù)則直接影響上述性能。則直接影響上述性能。 一般而言，提升功率因數(shù)直接影響下述問題：一般而言，提升功率因數(shù)直接影響下述問題： 1. 1.雜訊干擾問題。雜訊干擾問題。 由于橋式整流所所產(chǎn)生之輸入電流一不規(guī)則且不連續(xù)之脈動電流，含有大由于橋式整流所所產(chǎn)生之輸入電流一不規(guī)則且不連續(xù)之脈動電流，含有大量之高頻諧波，因此對

3、于一些電子周邊設(shè)備將產(chǎn)生一些不必要的干擾，。故量之高頻諧波，因此對于一些電子周邊設(shè)備將產(chǎn)生一些不必要的干擾，。故為了抑制高頻諧波電流干擾必須利用外加電路來修正輸入電流使其接近正弦為了抑制高頻諧波電流干擾必須利用外加電路來修正輸入電流使其接近正弦，如此方能降低輸入電流中之高頻諧波含量進(jìn)一步克服雜訊干擾的問題。，如此方能降低輸入電流中之高頻諧波含量進(jìn)一步克服雜訊干擾的問題。一一. .PFCPFC電路基本電路基本原理原理LITE ON2 2. .能源浪費(fèi)問題能源浪費(fèi)問題: : 過低的功率因數(shù)值若是從能量之觀點(diǎn)來解釋過低的功率因數(shù)值若是從能量之觀點(diǎn)來解釋, ,意味著輸入電流的意味著輸入電流的總諧波失真

4、總諧波失真( (Total Harmonic Distortion,THD)Total Harmonic Distortion,THD)很高，因此一部很高，因此一部傳統(tǒng)式電源從標(biāo)準(zhǔn)插座（傳統(tǒng)式電源從標(biāo)準(zhǔn)插座（Standard Outlet)Standard Outlet)上所吸取之功率將上所吸取之功率將只有插座上額定功率的五分之三左右，異言之將有五分之二的只有插座上額定功率的五分之三左右，異言之將有五分之二的能量消耗在高頻諧波電流上。能量消耗在高頻諧波電流上。 因此為了提升電源轉(zhuǎn)換器之輸出額定功率，減少能源浪費(fèi)因此為了提升電源轉(zhuǎn)換器之輸出額定功率，減少能源浪費(fèi)及雜訊干擾功率因數(shù)較正是有其必要的

5、。及雜訊干擾功率因數(shù)較正是有其必要的。二二. .功率因數(shù)修正技術(shù)功率因數(shù)修正技術(shù) 一般的橋式整流之所以會導(dǎo)致一般的橋式整流之所以會導(dǎo)致PFPF值較低，可有以下討論看出，值較低，可有以下討論看出，如圖所示，全橋式整流只有在電源電壓如圖所示，全橋式整流只有在電源電壓ViVi高于電容電壓高于電容電壓VoVo時(shí)才時(shí)才會導(dǎo)通，在這些期間輸入電流必須供應(yīng)半周所需之能量，因此會導(dǎo)通，在這些期間輸入電流必須供應(yīng)半周所需之能量，因此其波形呈現(xiàn)高尖之特性，這樣的波形含有大量的高次諧波，其其波形呈現(xiàn)高尖之特性，這樣的波形含有大量的高次諧波，其功率因數(shù)也只能達(dá)到功率因數(shù)也只能達(dá)到0.50.70.50.7。 LITE

6、ON最低輸入電壓的確定最低輸入電壓的確定如圖：如圖： 電壓電壓 電流電流PFCPFC相關(guān)參數(shù)的計(jì)算相關(guān)參數(shù)的計(jì)算LITE ON有有 D=TD=Tonon/(T/(Tonon+T+Toffoff) ) 則：則：T Tonon=D/F=D/FPFCPFC, T, Toffoff=(1-D)/ F=(1-D)/ FPFCPFC上升斜率上升斜率= =/ / T Tonon下降斜率下降斜率= =/ / T Toffoff又根據(jù)電感的特性方程：又根據(jù)電感的特性方程：U=Ldi/dt U=Ldi/dt 得得當(dāng)當(dāng)PFCPFCMOSMOS管導(dǎo)通時(shí)管導(dǎo)通時(shí) 2 2U Uiminimin=L=L/ / T Ton

7、on 當(dāng)當(dāng)PFCPFCMOSMOS管截止時(shí)管截止時(shí) U U0 0高壓高壓2 2U Uiminimin=L=L/ / T Toffoff / /可得：可得：2 2U Uiminimin(U(U0 0高壓高壓2 2U Uiminimin)=T)=Toffoff/T/Tonon=(1-D)/D=(1-D)/D由上式可得由上式可得U Uiminimin=U=U0 0高壓高壓(1-(1-D DpfcMAXpfcMAX)/2)/2 由此式可知，電源輸入電壓的最小值是由由此式可知，電源輸入電壓的最小值是由PFC MOS占空比和占空比和PFC電路最終輸出的高壓直流電壓的數(shù)值而決定的，在電路最終輸出的高壓直流電

8、壓的數(shù)值而決定的，在PA-1151-3電路電路中，中，U0高壓高壓390V,PFC芯片芯片L6561最大占空比最大占空比 LITE ON70%. 將將U0高壓高壓、Dmax代入上式可得：代入上式可得：Uimin=82.73V因此選取輸入電壓的下限為因此選取輸入電壓的下限為Uimin=85V. PFC 二極管的確定二極管的確定由能量守恒可知，在輸入電壓最小時(shí)，輸入電流最大。由能量守恒可知，在輸入電壓最小時(shí)，輸入電流最大。設(shè)最大的輸入電流有效值為設(shè)最大的輸入電流有效值為Iinmax(rms)則有：則有：Iinmax(rms)U0I0/1Uimin它和流經(jīng)它和流經(jīng)PFC電路得電流電路得電流關(guān)系為關(guān)系

9、為Iinmax(rms)U0I0/1Uimin對于此機(jī)種，將對于此機(jī)種，將U0=12V,I0=13A(fan=0.5A),1=0.73, Uimin=85V,代代入上述方程得：入上述方程得： I=7.1109A 實(shí)際測量如圖：實(shí)際測量如圖：LITE ONCH4CH4為電流波形：為電流波形：LITE ONPFC 電感感值的確定電感感值的確定因?yàn)樵谝驗(yàn)樵赑FC MOS管截止時(shí)管截止時(shí),PFC電感上的電流不會突變電感上的電流不會突變,所以下降得電流會流過所以下降得電流會流過D102,所以對于所以對于D102,它所流經(jīng)的最大電流應(yīng)為它所流經(jīng)的最大電流應(yīng)為I=UoIo/1Uimin又又2Uinmin=L

10、PFC/t=(2LPFCUoIofPFC2)/(1 1DpfcMAXUinmin)可得：可得：LPFC=(Dpfcmax1Uimin2)/( 2U0I0FPFC)將將Uimin=U0高壓高壓(1-DpfcMAX)/2代入上式代入上式 LPFC=(U0高壓高壓2(1-DMAX)2DMAX1)/(4U0I0FPFC)從從L的關(guān)系式可知的關(guān)系式可知L的大小由輸出最大電流的大小由輸出最大電流Io, PFC MOS管的最低工作頻率管的最低工作頻率fPFC、最大占空比最大占空比Dpfcmax,最小輸入電壓最小輸入電壓Uimin,電源效率電源效率1,共同決定的。共同決定的。將將DpfcMAX=0.7, 1=

11、0.73, U0=12V, I0=12.5A(fan=0.5A), FPFC=35KHz代代入上式得入上式得 LPFC=320uH, （實(shí)際測得實(shí)際測得LPFC=315uH） LITE ON電源輸出極限電流的確定電源輸出極限電流的確定 由上述的由上述的PFC感知的確定公式可以導(dǎo)出感知的確定公式可以導(dǎo)出I0 I0=(U0高壓高壓2(1-DMAX)2DMAX1)/(4U0 LPFC FPFC) 從上述公式可知若要電源輸出極限電流，則從上述公式可知若要電源輸出極限電流，則PFC電路的工作頻電路的工作頻率最低，且占空比最大。率最低，且占空比最大。 將將DMAX=0.7, 1=0.73, LPFC=32

12、0uH, FPFC=27KHz代入得代入得I0MAX=16.867A (實(shí)際測得輸出極限電流為實(shí)際測得輸出極限電流為17.1A) 同時(shí)從上述得輸出電流公式也讓我們看到了在電源輸出任意電同時(shí)從上述得輸出電流公式也讓我們看到了在電源輸出任意電流值的情況下，占空比和流值的情況下，占空比和PFC電路工作頻率之間的關(guān)系。電路工作頻率之間的關(guān)系。LITE ON 實(shí)際測得實(shí)際測得PFC 芯片工作最低頻率芯片工作最低頻率26.74KHzLITE ON開開關(guān)電源參數(shù)計(jì)算關(guān)電源參數(shù)計(jì)算By Cd ZhangQE Department, QRALITEON electronics (Dongguan) co.,LT

13、DLITE ON 變壓器主線圈感值的確定變壓器主線圈感值的確定 因?yàn)樽儔浩淝岸溯斎腚妷汗潭ㄒ驗(yàn)樽儔浩淝岸溯斎腚妷汗潭?所以不論任何輸入電壓所以不論任何輸入電壓,主主MOS 的開關(guān)頻率幾乎固定不變的開關(guān)頻率幾乎固定不變,設(shè)變壓器的變比為設(shè)變壓器的變比為N,開關(guān)頻率為開關(guān)頻率為f f主主, , (, (經(jīng)試驗(yàn)測得經(jīng)試驗(yàn)測得N=11 fN=11 f主主=70=70KHz)MOSKHz)MOS管上的電壓和流經(jīng)變壓器的電管上的電壓和流經(jīng)變壓器的電流如下圖所示流如下圖所示: :xyLITE ON 由功率守衡可知由功率守衡可知; U0高壓高壓*Irms=W功功/2=U0 I0/2 可得可得; Irms=U0

14、I0/ U0高壓高壓2下面列方程下面列方程,主要依據(jù)：主要依據(jù)： 一周期中變壓器上升的電流有效值應(yīng)等于一周期中變壓器上升的電流有效值應(yīng)等于Irms 上升斜率應(yīng)符合電感特性方程上升斜率應(yīng)符合電感特性方程 U=Ldi/dt 初次級電流的變比應(yīng)符合初次級電流的變比應(yīng)符合N.倍的關(guān)系倍的關(guān)系.因此得到方程組因此得到方程組. X*D主主/F主主+Y*D主主/F主主=Irms/F主主 YF主主/D主主= U0高壓高壓/L I =X=X= I0 /N /N 解得解得; X= I0/N/N Y=2I0(U0/D主主2U0高壓高壓-1/N) L=D主主2U0高壓高壓22N/(2 I0 F主主( U0 N- D主

15、主2U0高壓高壓) 從上述解中可得到一個(gè)隱函條件從上述解中可得到一個(gè)隱函條件,即即Y0. 因?yàn)橹饕驗(yàn)橹鱉OS管在道通時(shí)管在道通時(shí),變壓器的變壓器的電流不可能下降電流不可能下降.所以從所以從Y0條件中解得條件中解得 U0/ D主主2U0高壓高壓1/ 1/N NLITE ON得得 DU0N/2U0高壓高壓 即主即主MOS管的最大占空比管的最大占空比 因?yàn)樵诙蝹?cè)應(yīng)屬于降壓型電路因?yàn)樵诙蝹?cè)應(yīng)屬于降壓型電路,則輸入與輸出應(yīng)符合則輸入與輸出應(yīng)符合 輸出輸出=輸入輸入*D對于此電路應(yīng)有對于此電路應(yīng)有 U0=D主主U0高壓高壓/N 可得可得: D主主= U0N /U0高壓高壓 將將D主主=U0N/ U0高

16、壓高壓代入代入L得表達(dá)式有得表達(dá)式有 X=I0/N Y=2(1-2)I0/N2 L=U0N22/(2I0F主主(1-2) 將將U0=12V, N=11, 2 =0.5, I0=1A(實(shí)際測得在輸出電流為實(shí)際測得在輸出電流為1A時(shí)時(shí),電源效率電源效率為為46.5%,考慮到此效率是變壓器前端至輸出的效率考慮到此效率是變壓器前端至輸出的效率,所以取所以取2 =0.5),F主主=70KHz 代入代入L的表達(dá)式得到的表達(dá)式得到L的感值大小的感值大小 L=10.37mH (實(shí)際測得實(shí)際測得11.2mH) LITE ON 從上述的推導(dǎo)過程可以看出，此處的從上述的推導(dǎo)過程可以看出，此處的2應(yīng)是變壓器至輸出的效

17、應(yīng)是變壓器至輸出的效率率, ,為此可取為此可取2=0.85 ，在機(jī)臺滿載情況下在機(jī)臺滿載情況下(I0=13A)可計(jì)算出可計(jì)算出 X=1.186A, Y=0.4186A .在在超超載時(shí)（載時(shí)（I0=17A）可計(jì)算出可計(jì)算出X=1.551A ,Y=0.547A ,X+Y=2.098A.實(shí)際測的波形如圖實(shí)際測的波形如圖: : LOAD 17A LOAD 17A CH2CH2為電流波形（為電流波形（1 1A/divA/div）LITE ON對對L進(jìn)行討論：進(jìn)行討論： 令令L為為的函數(shù)，對的函數(shù)，對L求導(dǎo)可以得到求導(dǎo)可以得到 L=1/(1-)2 其函數(shù)圖形如圖其函數(shù)圖形如圖: :從圖形上可以清楚地看到若

18、機(jī)臺的工作效率高，那么對應(yīng)的主變壓器的從圖形上可以清楚地看到若機(jī)臺的工作效率高，那么對應(yīng)的主變壓器的感值就要適當(dāng)?shù)奶岣?。感值就要適當(dāng)?shù)奶岣?。LITE ON 二次側(cè)整流二極管的確定二次側(cè)整流二極管的確定按變壓器的變比將一次側(cè)的電流變換致二次側(cè)可知按變壓器的變比將一次側(cè)的電流變換致二次側(cè)可知,二次側(cè)電流大二次側(cè)電流大致波形為致波形為: 從電流變比的關(guān)系很容易計(jì)算出二次側(cè)電流的峰值從電流變比的關(guān)系很容易計(jì)算出二次側(cè)電流的峰值 Ipeak=N(X+Y)= I0(2-2)/2取取 2等 于等 于 0 . 8 5 ， I0等 于等 于 1 2 . 5 A ( 正 常 工 作正 常 工 作 ) 得得Ipea

19、k=16.912A I0等于等于17A (工作極限工作極限)得得 Ipeak=23A LITE ON討論：討論： 從上述關(guān)于二次側(cè)整流二極管所流電流峰值的公式中可以看從上述關(guān)于二次側(cè)整流二極管所流電流峰值的公式中可以看到，此峰值電流只和效率，輸出電流有關(guān)。到，此峰值電流只和效率，輸出電流有關(guān)。在這里我們可以把在這里我們可以把I I看作是看作是的函數(shù)，對其求導(dǎo)得的函數(shù)，對其求導(dǎo)得 : I.= -2/2. . 所以所以I I是遞減函數(shù)，其大致曲線如圖是遞減函數(shù)，其大致曲線如圖 : :LITE ON主主MOS耐壓值的確定耐壓值的確定 從變壓器的電流波形可知從變壓器的電流波形可知,電流在減少時(shí)會產(chǎn)生一

20、個(gè)反電動勢。電流在減少時(shí)會產(chǎn)生一個(gè)反電動勢。 在主在主MOS導(dǎo)通時(shí)有導(dǎo)通時(shí)有: V0高壓高壓=(/ ton)*L主主 (電感特性電感特性) = / t= B B * * S S * *N N / ton (法拉第電磁感應(yīng)定律法拉第電磁感應(yīng)定律) 從中可以從中可以導(dǎo)導(dǎo)出出 B B=( V0高壓高壓 ton)/SN 在截止時(shí)在截止時(shí),由由法拉第電磁感應(yīng)定律法拉第電磁感應(yīng)定律： = =反反+ +漏漏= = / tr= B B * *S S * *N N / tr =( (V0高壓高壓 ton)/ tr 上式變形后得上式變形后得; * tr= V0高壓高壓 ton (面積相等面積相等,tr 包括泄磁階

21、段包括泄磁階段,恢復(fù)階段恢復(fù)階段) 同時(shí)在截止時(shí)同時(shí)在截止時(shí),由二次測反加回一次側(cè)的電壓由二次測反加回一次側(cè)的電壓反反大小應(yīng)為大小應(yīng)為 反反= =V0*N 這樣在主這樣在主MOS上產(chǎn)生的壓降為上產(chǎn)生的壓降為 V=V0高壓高壓+反反= = V0高壓高壓+ +V0*N在考慮主變壓器的漏感時(shí)有下述方程：在考慮主變壓器的漏感時(shí)有下述方程： 漏漏=(=(I Ip/tr泄磁泄磁)*L漏漏 LITE ON 所以加在所以加在MOS管上的總壓降是管上的總壓降是 V= V0高壓高壓+ +V0*N+漏漏 = V0高壓高壓+(V0/D主主)*N+(I (Ip/tr泄磁泄磁)*L漏漏 又因?yàn)橛忠驗(yàn)榉捶磻?yīng)當(dāng)相等，則應(yīng)當(dāng)相

22、等，則 反反=( (V0高壓高壓 ton)/ tr-漏漏 1式式 反反= V0*N 2式式 通過通過1,2兩式可以得出兩式可以得出 ton= =( ( V0*N+漏漏)/ V0高壓高壓* tr 取取V0高壓高壓=390V, V0=12V, D主主=0.3385, N=11, Ip=1.537A, tr泄磁泄磁=2=2uSuS, , L L漏漏=30=30uHuH帶入上式得帶入上式得 ; ; V=390+389.9+23.055=802.955VV=390+389.9+23.055=802.955V LITE ON實(shí) 際 測 得 主實(shí) 際 測 得 主 M O S 管 電 壓 波 形 如 圖管 電

23、 壓 波 形 如 圖(U=810V)LITE ON從耐壓值的公式上看到，這個(gè)高壓和輸出電流的大小從耐壓值的公式上看到，這個(gè)高壓和輸出電流的大小有一定的關(guān)有一定的關(guān)系系，但是從公式中可知及便時(shí)滿載輸出由漏感所引起的反向電壓，但是從公式中可知及便時(shí)滿載輸出由漏感所引起的反向電壓也只有也只有2323V.也就是說不論機(jī)臺輸出與否，只要處在工作之中，那也就是說不論機(jī)臺輸出與否，只要處在工作之中，那么主么主MOSMOS管就要承受壓降。管就要承受壓降。 主變壓器泄磁波形主變壓器泄磁波形LITE ON PFC電容的確定電容的確定 由由電容的定義式電容的定義式C=Q / Q / U, U, 所以只需確定所以只需

24、確定 Q Q ，U U即可即可。因因?yàn)殡娙萆系碾妷簯?yīng)是一個(gè)近乎于穩(wěn)定的高壓直流電壓，但實(shí)際上是一為電容上的電壓應(yīng)是一個(gè)近乎于穩(wěn)定的高壓直流電壓，但實(shí)際上是一個(gè)直流量和交流量的迭加如圖個(gè)直流量和交流量的迭加如圖,所以所以U應(yīng)對應(yīng)于交流電壓在應(yīng)對應(yīng)于交流電壓在MOS管道管道通時(shí)的改變量。通時(shí)的改變量。Q應(yīng)對應(yīng)于在應(yīng)對應(yīng)于在MOS管道通時(shí)改變的電量。管道通時(shí)改變的電量。LITE ON由芯片的資料可知由芯片的資料可知,當(dāng)腳感應(yīng)到當(dāng)腳感應(yīng)到I=37uA電流變化時(shí)它將調(diào)整工作頻率，電流變化時(shí)它將調(diào)整工作頻率，從而使高壓直流穩(wěn)定。從而使高壓直流穩(wěn)定。LITE ON所以迭加在直流量上的交流電壓的表達(dá)式如下：所

25、以迭加在直流量上的交流電壓的表達(dá)式如下：U交交= IRsint t 對其求導(dǎo)可得到對其求導(dǎo)可得到U U=IR2f入入D/f主主 Q=Y*D主主/(2f主主)= Io*(1-2)*D主主/(N2f主主) C=Q/U=(1-(1-2)*I0/(N/(N2IR2f入入) 將將2=0.85, I0=12.5A（正常工作）正常工作）, N=11, R=(2*511)K, f入入47Hz代入代入上式得到電容值為上式得到電容值為18.0327uF 若取若取I0=17A,則對應(yīng)的電容容值為則對應(yīng)的電容容值為25.524uF. 關(guān)機(jī)時(shí)間的確定關(guān)機(jī)時(shí)間的確定 由能量關(guān)系可知，電容上消耗的能量應(yīng)等于負(fù)載得到的能量，

26、隨著電由能量關(guān)系可知，電容上消耗的能量應(yīng)等于負(fù)載得到的能量，隨著電容上電壓的下降，為了保持輸出端電壓的穩(wěn)定，容上電壓的下降，為了保持輸出端電壓的穩(wěn)定，MOS管會逐漸增加占空比管會逐漸增加占空比，但當(dāng)占空比達(dá)到極大值，但當(dāng)占空比達(dá)到極大值 。LITE ON時(shí)，便會出現(xiàn)電壓下掉，如圖時(shí)，便會出現(xiàn)電壓下掉，如圖: :可以推知在輸出電壓開始下掉時(shí)，電容上的電壓應(yīng)為可以推知在輸出電壓開始下掉時(shí)，電容上的電壓應(yīng)為 U=N U0/D主主MAX=U0高壓高壓所以有：所以有： 1/2C(U0高壓高壓2-U2)=U0I0T/ 化簡可得化簡可得 T= U0高壓高壓2(1-2)C/(2U0I0)LITE ON 說明說明:因?yàn)榇藭r(shí)機(jī)臺以無交流電輸入，變壓器前端的效率會隨著電容上因?yàn)?/p>