【導讀】功率因數校正技術是電源設計領域中的研究熱點。本文將針對功率功率因數校正電路中不帶乘法器的PFC電路，提出了一種新型的設計方法，簡化了電路，同時針對PFC電路不穩定問題，提出相應的改善方法。
為了提高開關電源效率、減少電網污染，功率因數校正技術日益成為電源設計領域中的研究熱點。目前常見的功率因數校正電路可以分為兩類——帶有乘法器的PFC和不帶乘法器的PFC。不帶乘法器的PFC電路采用的是逐周期控制技術，在一個周期內，利用過流檢測信號與反饋回來的輸出電壓同時控制開關管。與基于乘法器的系統相比較而言，不帶乘法器的PFC系統不需要AC輸入檢測技術，結構緊湊，校正電流波形（以保證高功率因數）所需要的信息全部來自DC總線電壓和回路電流。
本文以不帶乘法器、工作在臨界電流控制模式的Boost PFC電路為例，介紹逐周期PFC電路的工作原理，針對逐周期PFC電路的不穩定問題，提出相應的改善設計方法。
逐周期PFC電路的基本原理
逐周期PFC電路內部不含乘法器，為了強制輸入電流跟隨輸入電壓的波形變化，完成功率因數校正功能，在一個周期內，同時利用誤差控制信號、過流檢測信號和過零檢測信號來控制開關管的導通和關斷。初始時刻，流過外接電感的電流為零，通過過零檢測信號將開關管打開，電源電壓對電感充電，電感電流上升；輸出電壓反饋信號經過誤差放大器后與內部鋸齒波比較，得到一定占空比的PWM波。該PWM信號與過流檢測信號相與，控制開關管的關斷。此時，如果外接電感電流超過限流值，過零檢測信號跳變為低，關斷開關管；否則，開關管由輸出電壓反饋信號控制。因為開關頻率相對于電網電壓頻率非常高，所以在一個周期內可以認為反饋電壓為常數，由此可以得到固定占空比的PWM信號，開關管達到最大導通時間后關斷。開關管關斷，電感電流下降，直到為零，再通過過零檢測信號觸發下一個導通周期。
逐周期技術能顯著提高電源的性能，具有良好的線性調整率和快速的輸入輸出動態響應；固有的逐個脈沖電流限制，簡化了過載和短路保護；消除了輸出濾波電感帶來的極點，使電源系統由二階降為一階，系統不存在有條件的環路穩定性問題。
但是，當PFC電路的開關占空比大于50%時，擾動信號產生的誤差被逐漸放大，將導致系統的不穩定，使電源的抗干擾性能變差，另外，輸出輕載或空載時，也會導致電源失控。本文提出了多矢量誤差運放、斜坡補償電路、動態調節電路以及定時自啟動電路來提高逐周期PFC電路的性能。
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控制信號產生電路
為了抑止擾動信號對電感電流的影響，可以控制開關管的占空比小于50%。本文采用多矢量誤差放大器來獲得精確的最高輸出電壓鉗位，同時，設定鋸齒波的斜率，兩者比較后可以限定PWM波的最大占空比，從而提高系統的穩定性。由于感應電流或噪聲信號會引起顯著的脈沖寬變效應，因此，還必須增加斜坡補償電路來消除這些失真現象。
具體電路設計如圖1所示。
斜坡補償網絡由電壓跟隨器
Comp1、比較器Comp2及電阻R1、R2構成。如圖中虛線框所示。新的控制電壓V4由控制電壓V1疊加斜坡補償電壓后形成。
補償信號直接取自多矢量誤差放大器內部，由反饋電壓Vin控制。選取適當的R1、R2比值，就可以得到合適的控制信號V4的斜率，從而增加電路的穩定性，使電感電流平均值不隨占空比變化，并減小峰值和平均值的誤差。同時，斜坡補償還能抑制次斜波振蕩和振鈴電感電流。
控制信號V4再和V3相“與”生成Vc，Vc由兩者之中較低的信號決定，然后和鋸齒波信號比較，得到PWM信號。可見其占空比在零到由V3與鋸齒波設定的最大占空比之間變化，由反饋輸出電壓控制。
多矢量誤差運放和斜坡補償電路提供了快速的瞬態響應和精確的輸出電壓鉗位，有效地減輕了電流感應和噪聲的影響，大大提高了電路的性能。
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動態調節電路
對于PFC電路來說，負載的變化會對電路性能產生很大的影響，大大降低了電路的壽命。由于其響應時間慢、輸出電壓高，在突然斷開負載時，400V的輸出可能涌現800V，這樣對后續器件損害很大。為了保護電路在這些瞬態情況下的能正常工作，PFC電路中增加了一個跨導比較器，用來檢測輸出電壓，當輸出電壓超過額定反饋水平的8%時，即2.7V（設內部基準電壓為2.5V），它會自動關斷PWM波，當輸出電壓減小至8%時，PWM再次恢復運行。另外，對于PFC電路來說，輕載時電路的損耗比較大。
為了解決這個問題，在電路中增加一個功率檢測比較器，當輸出功率比較低時，比較器工作，關斷PWM波，使電路工作在間隙模式下，從而降低功耗。因此，在輸出電壓過壓和輸出電壓過低時，驅動信號會被閉鎖。這兩個比較器構成了動態調節電路，它同時能夠改善高輸入電壓時的功率因數，減小輸入電流總的諧波含量。可見，在輸入電壓快速擾動或者負載瞬變的情況下，采用逐周期控制的功率變換器在單個周期內可以實現控制目標，因此大大改善了電流的動態性能。
內部定時自啟動電路
一般情況下，功率管的開啟是由過零檢測信號完成的，但是，當驅動輸出信號長時間持續為低電位（350μs）時，PFC電路提供了一個內部定時自啟動電路來產生一個觸發信號開啟功率管。內部定時自啟動電路保證了當ZCD沒有信號時電路能夠維持正常的工作，輕負載時電路工作于恒頻工作模式。
仿真結果
本文采用的BOOSTPFC輸出電壓為400V，主要元器件參數為：輸入電感L為870μH，輸入電容為220μF，開關管為MOSSTP8NA50，輸出二極管為BYT13-600，負載RL為1300Ω。基于Sinomos1.0μm工藝的BSIM3V3.2Spice模型，采用CadanceHspice工具進行了仿真。仿真得輸入電流波形如圖4所示。
圖4波形從上而下依次為：電感電流、誤差控制信號、輸入電壓。仿真結果證明，輸入電流經過整形后為正弦波，能夠跟隨輸入電壓的變化，滿足設計要求。這種逐周期控制技術下、不帶乘法器的PFC電路很好的解決了電路啟動時輸出電壓過沖的問題；動態特性也得到了改善，同時，改善了高輸入電壓時的功率因數和降低了輸入電流總的諧波含量。
結論
本文針對逐周期技術控制的PFC電路，提出了具體的設計方法。采用多矢量誤差運放和斜坡補償網絡增加了電路的穩定性、減小電感電流峰值和平均值的誤差，同時抑止次諧波振蕩和振鈴電感電流；動態調節電路可以在負載突然變化時使PFC跳過慢補償運算放大器，直接作用于內部非線性增益塊而影響占空比，改善了電路在輕載或空載時的性能；定時自啟動電路控制PFC在輕載時可以工作在恒頻模式，可用于電能管理或電路保護的應用場合。
對于PFC電路，采用逐周期控制技術簡化了電路結構，性能和傳統的基于乘法器的PFC同樣出色，比較適圖4仿真結果圖合中低功率的系統應用。
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