基于UCC28019的高功率因數電源

　0 引言

　　傳統的AC／DC變換采用二極管全橋整流，輸出端直接接大容量電容濾波器，造成交流電源輸入電流中含有大量諧波。諧波電流對電網有嚴重的危害，不僅會使電網電壓發生畸變，也會浪費大量的電能。隨著電源綠色化概念的提出，功率因數校正得到了廣泛應用。所謂功率因數校正，就是指從電路上采取措施，使交流電源輸入電流實現正弦，并與輸入電壓保持同相。UCC28019是TI公司新近推出的一種功率因數校正芯片，該芯片采用平均電流模式對功率因數進行校正，使輸入電流的跟蹤誤差產生的畸變小于1％，實現了接近于l的功率因數。本文介紹了UCC28019的內部結構、工作原理。在此基礎上，設計了一種高功率因數電源。

　　l UCC28019簡介

　　UCC28019是美國TI公司最新的有源功率因數校正(PFC)芯片。該芯片采用平均電流模式對功率因數進行校正，適用于寬范圍通用交流輸入，輸出為100W至2kW的功率因數變換器。該芯片開關頻率固定(65kHz)，具有峰值電流限制、軟過流保護、開環檢測、輸入掉電保護、輸出過壓／欠壓保護等眾多系統保護功能。

　　1)UCC28019引腳功能

　　UCC28019的引腳排列如圖l所示。

　　各引腳功能為：

• 　　GND腳——地；
• 　　ICOMP腳——電流環路補償，跨導電流放大器的輸出端；
• 　　ISENSE腳——電感電流檢測；
• 　　VINS腳——交流輸入電壓檢測；
• 　　VCOMP腳——電壓環路補償，跨導電壓誤差放大器的輸出端；
• 　　VSENSE腳——輸出電壓檢測；
• 　　VCC腳——電源輸入端；
• 　　GATE腳——柵極驅動輸出端；

　　2)UCC28019的內部結構

　　UCC28019內部結構圖如圖2所示：

　　3)UCC28019具體有以下保護功能

　　(1)軟啟動(SS)

　　(2)VCC腳欠壓鎖定(UVLO)

　　(3)輸入掉電保護(IBOP)

　　(4)輸出過壓保護(OVP)／輸出欠壓保護(UVD)

　　(5)開環保護／待機模式(OLP／Standby)

　　(6)過流保護

　　4)柵極驅動

　　柵極驅動輸出按電流最優化結構設計，可以以較高的開關速度直接驅動大容量MOSFET的柵極。芯片內部的嵌位將MOSFET柵極上的電壓嵌位在12．5V，外部的柵極驅動電阻RGATE限制了柵極驅動電路的寄生電感及寄生電容的上升時間，并且抑制了振鈴，從而減少了電磁干擾(EMI)。

　　5)電流環路和電壓環路

　　電流環路由芯片內部的平均電流放大器，PWM比較器和芯片外部的升壓電感及電感電流檢測電阻組成。電壓環路由芯片內部的電壓誤差放大器，非線性增益和芯片外部的輸出電壓檢測電阻組成。

　　2 系統的工作原理

　　圖3所示的電路方框圖簡單地描述了采用UCC28019作為控制芯片的有源功率因數校正的工作原理。柵極驅動信號由電流放大器的輸出信號和電壓誤差放大器的輸出信號經脈沖寬度比較器調制而成。當系統處于準穩態時，有：

　　式中：M1為電流放大器的增益；M2為PWM波的斜坡坡度；Rsense為電感電流檢測電阻；iLbst為電感平均電流；M(D)為升壓變換器的電壓轉換比；M1、M2由電壓誤差放大器和芯片內部參考電壓的差值決定，均可以控制輸入電流的幅值，且兩者的乘積滿足一定關系。當系統處于準穩態時，輸出電壓為定值，M1、M2也為定值，故有控制環路強迫電感電流跟隨輸入電壓波形以保持升壓調節。又因為Uin為正弦波，因此，電感平均電流同樣為正弦波。

　　3 電路主要參數設計

　　圖4為UCC28019典型應用電路原理圖。

　　1)開關器件的選取

　　開關器件的最大峰值電流IDS_PEAK(max)可通過以下公式計算：

　　根據輸出電壓的最大值及最大峰值電流，選擇相應的功率場效應管。

　　2)輸入濾波電容的選取

　　在允許有20％的電感電流紋波IRIPPLE和6％的高頻電壓紋波UIN_RIPPLE的情況下，輸入濾波電容的最大值CIN由輸入電流紋波IRIPPLE和輸入電壓紋波UIN_RIPPLE(max)決定。輸入濾波電容的值可通過以下公式計算：

　　根據計算所得的電容值，選擇相應的電容。

　　3)升壓電感的選取

　　升壓電感LBST在確定了電感峰值電流的最大值IL_PEAK(max)后作出選擇：

　　升壓電感的最小值根據最壞的情況(占空比為0．5)計算得出：

　　4)電感電流檢測電阻的選取

　　在電感電流超過最大峰值電流25％時，ISENSE腳電壓達到軟過流保護閾值的最小值，RSENSE將觸發軟過流保護。RSENSE可通過以下公式計算：

　　此外，為保護芯片免受沖擊電流的沖擊，在ISENSE腳處串聯一個阻值為220Ω的電阻。

　　5)輸出電容的選取

　　輸出電容COUT通過滿足轉換器的延遲要求來計算。在一個線性周期內，tHOLDUP=l/fLINE(min)，電容的最小值可通過以下公式計算：

　　6)電壓反饋電阻的選取

　　為降低功耗并使電壓設置誤差達到最小，使用1MΩ作為電壓反饋頂部的分壓電阻RFB1，通過內部5V的參考電壓URR選取底部的分壓電阻RFB2以滿足輸出電壓的設計指標：

　　根據計算所得的輸出電容最小值，選擇相應的電解電容。

　　4 設計實例及實驗結果

　　在分析了UCC28019工作原理及主要參數設計的基礎上，設計了一種高功率因數電源，該電源輸入為交流220V，輸出為直流360V，功率為500W。

　　交流電源輸入端的電壓和電流波形如圖5所示：

　　使用鉗型表測得該電源的功率因數為0．991。實驗測得的波形和數據表明系統正常工作后，諧波含量基本消除，輸入電流波形與輸入電壓波形保持一致。

　　5 結束語

　　基于UCC28019設計的高功率因數電源具有功率因數高、諧波含量低的優點。同時，該芯片具有應用簡單，保護功能強大，驅動能力強，調試簡單等優點，是一種非常優秀的功率因數校正芯片。