充电泵电路原理.doc

一种新型带充电泵单级PFC电路的AC/DC 变换器 作者：刘学超，张波，余建生????时间：2006-10-03????来源:? ? ?????? 摘要：提出一种新型带充电泵单级PFC 电路的AC/DC 变换器。文章阐述了利用充电泵电路实现高功率因数校正的理论，分析了该变换器的工作原理，同时讨论了主要参数设计思路。最后给出28V/6A 实验样机测试结果，表明该变换器能实现高功率因数校正，电路简单实用，同时兼有低待机损耗和钳位电路功能，能广泛应用于数字视频电源中。关键词：充电泵；功率因数校正；AC/DC变换器引言随着数字视频产品的不断发展，对其供电电源的要求愈来愈高，特别是对输入谐波抑制和抗干扰能力。为了满足IEC61000-3-2 国际标准，引入功率因数校正（PFC）电路成为电源设计者的当务之急。针对此标准要求，学者们先后提出了无源PFC与有源PFC两种功率因数校正方案。目前PFC电路广泛采用前级升压PFC 变换器加上后级主功率变换器的双级有源变换方案。由于受视频产品电源工作效率和性价比的限制，双级有源PFC电路由于成本高，元件数量多，对负载变化响应速度慢，整机效率相对较低，其应用受到一定限制。为了克服这些缺陷，近年来，对于输出功率小于250W 的变换器，单级无源PFC 成为较热门的设计方案之一，主要方法是将无源功率因数校正与主功率反激变换器集成在一级变换中。它具有在实现输出电压快速调节的同时，不用增加功率开关器件数和控制电路就能提高功率因数的特点。但是以往的单级PFC 变换器可靠性不高，变压器设计较为复杂，很难满足视频供电电源的高可靠性，低成本的要求。所以需要提出更新颖的拓扑结构，简化设计，同时保证较高功率因数校正。本文尝试提出一种基于充电泵PFC 的新型AC/DC 反激式变换器，它在较低成本的前提下满足IEC61000-3-2 Class D的要求，从而能广泛应用于数字视频产品电源设计中。给出它的原理分析并提出主要参数设计思路，实验设计了一台28V/6A 变换器样机，结果表明，功率因数大于0.96，满载工作效率大于86%，待机损耗小于1W。电路拓扑简单可靠，适用于负载变化较大的数字视频供电电源中。工作原理如图1 所示，Vin 和iin 分别为不含PFC 的输入电压和电流波形，因为当输入正弦电压高于整流输出滤波电容上电压时，整流二极管才会导通，所以输入电流只有在正负一小段时间内导通，这样导致电流波形畸变，产生很大谐波。为了提高输出功率因数，减小谐波，改善输入电流波形，可以引入充电泵作为无源PFC 的概念，它的作用是使输入电流波形从低电压端流向高压端，展宽输入电流波形，经过一定的设计，使之跟随输入电压波形的变化 图1中iin为加入充电泵后的输入电流波形。图1 输入电压电流波形图 图2 简单充电泵电路图2 是一个简单的充电泵电路图。假设输入电压V1小于输出电压V2；二极管VD1和VD2以及电容C 组成一个充电泵电路。通过高频率方波脉冲V3（频率为f3）来控制充电泵，假如方波峰值电压V3 大于（V2－V1），充电泵就能使电流由低电压V1流向高电压V2。工作机理如下： （1）当V3 为低电平时，电压V1 通过VD1 对电容C 充电，电荷，假设电容C 足够小，电容很快就被充到V1。 （2）当V3 为高电平时，电容C 通过VD2 放电，此时 。根据电荷守恒原理那么输入电流I1 为 如果方波脉冲V3 的占空比为1/2，那么 如果V2=V3，同时输入电压V1 为工频交流电通过整流桥的电压Vin，因此从式（2）可知，输入电流I1 可以跟随输入电压 Vin 的变化，从而实现功率因数校正，并使电流可以由低压端流向高压端。图3 是所提出的带充电泵PFC 电路的AC/DC变换器电路图，其拓扑结合了上述的充电泵电路和单端反励式变换器，采用支持低损耗及功率因数校正的电源管理IC TDA16846。输入整流桥、电感L、充电泵电容C 以及二极管VD 组成了一个充电泵电路，此充电泵电路不仅具有PFC 功能而且兼有缓冲网络的功能，钳位开关管关断电压尖峰。图4 是它的一个开关周期工作波形。由于开关管开关频率远大于输入工频频率，所以在分析开关周期工作原理时，可以认为输入电压in V 近似保持恒定。下面分析该变换器的稳态工作原理。 图3 带充电泵PFC 电路的AC/DC 变换器工作模态1 [t1～t2]在t1时刻开关管VT 受TDA16846 的控制而导通，开关管漏源极电压Vds由最大值 Vdsmax跳降到零， 同时通过电容C， 使电压Vm由VP 跳变到-(Vdsmax-Vp)。在此开关模态期间，电感L、电容C组成基本串联谐振电路，对电容C 进行充电。初始条件为iL(0) =0 ,VC(0