平均电流控制

摘 要 ： 讨 论 了 平 均 电 流 法 和 峰 值 电 流 法 的 控 制 特 点 ， 并 详 细 分 析 了 平 均 电 流 法 控 制 芯 片 UC3854BN的 应 用 ， 最 后 提 供 了 实 验 波 形 。

关 键 词 ： 平 均 电 流 控 制 ； 峰 值 电 流 控 制 ； 功 率 因 数 校 正 ； 斜 坡 补 偿 ； 次 谐 波 振 荡

1 平 均 电 流 法 和 峰 值 电 流 法 的 比 较

我 们 知 道 开 关 功 率 电 路 的 电 路 拓 扑 分 为 电 流 模 式 控 制 和 电 压 模 式 控 制 ， 由 于 电 流 模 式 控 制 具 有 动 态 反 应 快 、 补 偿 电 路 简 化 、 增 益 带 宽 大 、 输 出 电 感 小 、 易 于 均 流 等 优 点 而 取 得 了 越 来 越 广 的 应 用 。 电 流 模 式 控 制 分 为 峰 值 电 流 模 式 控 制 和 平 均 电 流 模 式 控 制 两 种 。 峰 值 电 流 法 是 将 实 际 检 测 的 电 感 电 流 和 电 压 外 环 设 定 的 电 流 值 输 入 PWM比 较 器 进 行 比 较 ， 如 图 1所 示 。 峰 值 电 流 法 的 电 流 环 增 益 较 低 。 平 均 电 流 法 是 将 实 际 电 感 电 流 和 电 压 外 环 设 定 的 理 想 电 流 接 到 一 个 高 增 益 的 电 流 误 差 放 大 器 ， 通 过 电 流 误 差 放 大 器 将 电 流 误 差 放 大 再 接 到 PWM比 较 器 ， 和 一 个 大 幅 值 的 锯 齿 波 （ 即 振 荡 器 的 坡 度 ） 比 较 ， 如 图 2所 示 。

峰 值 电 流 模 式 控 制 和 平 均 电 流 模 式 控 制 相 比 主 要 有 以 下 缺 点 ： 1） 对 噪 声 敏 感 峰 值 电 流 模 式 控 制 是 将 电 感 电 流 的 上 升 沿 （ 即 开 关 电 流 ） 同 设 定 的 电 流 值 相 比 较 ， 当 瞬 态 电 流 达 到 设 定 值 ， PWM比 较 器 输 出 翻 转 将 功 率 开 关 管 关 断 。 电 感 电 流 上 升 到 设 定 值 的 坡 度 即 （ Uin-UO） /L很 小 ， 特 别 是 Uin小 时 坡 度 更 小 ， 所 以 这 种 控 制 方 法 易 受 噪 声 干 扰 。 每 次 开 关 管 通 断 时 都 会 产 生 一 个 噪 声 尖 峰 。 并 且 耦 合 到 控 制 电 路 的 一 个 小 电 压 就 能 使 开 关 管 迅 速 关 断 ， 使 电 路 处 于 次 谐 波 运 做 模 式 而 产 生 很 大 的 纹 波 。 而 平 均 电 流 模 式 而 是 将 电 流 放 大 器 的 输 出 和 晶 振 比 较 ， 当 时 钟 脉 冲 使 功 率 开 关 管 开 通 后 ， 晶 振 幅 度 迅 速 降 到 了 一 个 低 值 ， 所 以 平 均 电 流 模 式 抗 干 扰 能 力 强 。

2） 需 斜 坡 补 偿 图 3及 图 4分 别 是 D（ 占 空 比 ） 大 于 50％ 和 小 于 50％ 时 峰 值 电

流 控 制 的 电 感 电 流 波 形 图 。 其 中 Ue是 电 压 放 大 器 输 出 的 电 流 设 定 值 ， Δ Io是 扰 动 电 流 ， m1、 m2分 别 是 电 感 电 流 的 上 升 沿 及 下 降 沿 斜 率 。 从 图 中 可 以 看 出 当 D< 50％ 时 扰 动 电 流 引 起 的 电 流 误 差 Δ I1变 小 ， 而 D >50％ 时 扰 动 电 流引 起 的 电 流 误 差 Δ I1变 大 。 所 以 峰 值 电 流 模 式 控 制 在 D >50％ 时 电 路 工 作 不 稳 定 ， 需 给 PWM比 较 器 加 坡 度 补 偿 以 稳 定 电 路 。 对 于 Buck电 路 ， 补 偿 坡 度 是 Uo/L， 由 于 输 出 电 压 恒 定 ， 所 以 补 偿 值 便 于 计 算 并 恒 定 ， 但 是 补 偿 电 路 还 是 增 加 了 整 个 电 路 的 复 杂 性 ； 对 于 Boost电 路 ， 补 偿 坡 度 是 （ Uin Uo） /L， 由 于 输 入 电 压 随 电 网 波 动 而 变 化 ， 所 以 补 偿 值 不 恒 定 ， 这 使 设 计 的 固 定 补 偿 网 络 ， 很 多 时 候 会 发 生 过 补 偿 ， 降 低 了 电 路 的 性 能 并 导 致 了 波 形 畸 变 。 而 平 均 电 流 模 式 控 制 用 晶 振 幅 度 来 提 供 足 够 的 补 偿 坡 度 ， 而 无 须 外 加 补 偿 电 路 。

3） 具 有 尖 峰 值 /平 均 值 误 差 如 图 5所 示 ,峰 值 电 流 控 制 模 式 中 随 着 占 空 比 D1、 D2的 不 同 ， 电 感 电 流 的 平 均 值 I1、 I2也 不 同 。 虽 然 可 以 通 过 斜 坡 补 偿 来 获 得 不 同 占 空 比 下 一 致 的 电 感 电 流 ， 如 图 6所 示 ， 但 这 也 增 加 了 电 路 的 复 杂 性 。

电 流 模 式 控 制 的 实 质 是 使 平 均 电 感 电 流 跟 随 误 差 电 压 Ue设 定 的 值 ， 即 可 将 电 感 用 一 个 恒 流 源 来 代 替 ， 从 而 使 整 个 系 统 由 二 阶 降 为 一 阶 。 但 峰 值 电 流 法 电 感 电 流 的 平 均 值 和 峰 值 间 存 在 差 值 ， 在 BUCK电 路 中 由 于 电 感 电 流 的 纹 波 相 对 电 感 电 流 的 平 均 值 很 小 ， 并 且 存 在 电 压 外 环 的 校 正 作 用 ， 所 以 峰 值 和 平 均 值 的 这 种 误 差 可 以 忽 略 ； 在 BOOST电 路 中 ， 峰 值 要 跟 随 输 入 电 网 的 正 弦 波 ， 所 以 和 平 均 值 间 的 误 差 很 大 ， 在 低 电 流 ， 尤 其 是 电 流 不 连 续 时 ， 如 每 半 周 期 输 入 电 流 过 零 时 ， 这 种 误 差 最 大 ， 它 会 使 输 入 电 流 波 形 畸 变 。 这 时 就 需 要 一 个 大 电 感 来 使 电 感 电 流 的 纹 波 变 小 ， 但 这 将 使 电 感 电 流 的 坡 度 变 窄 ， 降 低 抗 干 扰 能 力 。

4） 产 生 次 谐 波 振 荡 内 部 电 流 环 的 增 益 尖 峰 是 电 流 模 式 控 制 的 一 个 重 要 问 题 。 这 种 增 益 尖 峰 发 生 在 1/2开 关 频 率 处 ， 使 相 移 超 出 范 围 ， 导 致 电 路 工 作 不 稳 定 ， 使 电 压 环 进 入 次 谐 波 振 荡 。 导 致 在 连 续 固 定 的 驱 动 脉 冲 时 ， 输 出 占 空 比 却 在 变 化 ， 如 图 7所 示 。 这 时 也 需 斜 坡 补 偿 来 抑 制 次 谐 波 振 荡 。

2 UC3854BN控 制 电 路 设 计

我 们 设 计 的 Po=1 200 W功 率 因 数 校 正 电 路 ， 采 用 了 Boost电 路 的 拓 扑 、 平 均 电 流 法 的 控 制 电 路 及 UC3854BN的 控 制 芯 片 。 电 路 参 数 如 下 ： 输 入 电 压 ： Uin=（ 75％ ～ 125％ ） 220 V=165～ 275 V 开 关 频 率 ： fs=80 kHz 效 率 ： η >0.95

检 测 变 压 器 变 比 ： 1： 100

输 出 电 压 ： Uo=DC 410 V 功 率 因 数 ： PF > 0.993 电 感 ： 600 μ H 检 测 电 阻 ： 15 Ω 2.1 功 率 部 分 设 计 1） 电 感 设 计

输 入 电 压 最 小 时 电 感 电 流 最 大 ， 所 以 计 算 电 感 时 选 取 该 时 刻 为 计 算 点 。 电 感 的 大 小 还 和 开 关 中 允 许 的 纹 波 有 关 ， 允 许 的 纹 波 含 量 越 多 ， 电 感 值 越 小 ， 一 般 选 纹 波 含 量 为 线 电 流 峰 值 的 20％ 。 最 大 的 线 电 流 峰 值 ILIN（ PK） 发 生 在 最 小 的 输 入 电 压 时 ， D为 电 流 峰 值 时 的 占 空 比 。

2） 输 出 电 容 选 择

输 出 电 容 的 大 小 和 开 关 频 率 纹 波 电 流 、 次 谐 波 电 流 、 输 出 直 流 电 压 、 输 出 纹 波 电 压 、 功 率 及 输 出 保 持 时 间 有 关 。 电 容 电 流 等 于 开 关 频 率 纹 波 电 流 和 100Hz谐 波 电 流 之 和 。 当 考 虑 保 持 时 间 时 ， 输 出 电 容 Co的 计 算 公 式 为

式 中 ： tH— — 电 容 的 保 持 时 间 ， 指 输 入 关 断 后 ， 输 出 电 压 在 一 定 范 围 内 保 存 的 时 间 ， 一 般 为 15～50 μ s； Uomin— — 负 荷 最 小 工 作 电 压 。

Co一 般 按 1～ 2 μ F/W选 取 ， 若 不 考 虑 保 存 时 间 ， 只 考 虑 纹 波 电 流 、 纹 波 电 压 ， 则 Co按 0.2 μ F/W选 取 ， 在 此 选 Co=1 200 μ F。 3） 功 率 MOS管 和 二 极 管 的 选 择

主 MOS 管 选 择 IRFP460， UDSS=500 V， RDS(ON)=0.27 Ω ， ID=20 A， COSS=870 pF。 升 压 二 极 管 选 择 高 频 快 速 恢 复 二 极 管 APT30S60B， 30 A/600 V， 反 向 恢 复 时 间 25 ns（ 要 求 小 于 75 ns） 。

UC3854BN的 驱 动 信 号 被 TC4424放 大 后 接 一 个 10Ω 的 电 阻 到 开 关 管 的 栅 极 。 4） 乘 法 器 /除 法 器 电 路

UC3854的 核 心 是 一 乘 法 器 /除 法 器 电 路 ， 如 图 8所 示 。 该 电 路 的 作 用 是 根 据 整 流 后 的 正 弦 半 波 电 压 ， 产 生 一 个 正 弦 电 流 标 准 波 形 IMO， 实 际 电 流 波 形 就 跟 踪 该 波 形 ， 即 相 当 于 跟 踪 输 入 电 压 的 正 弦 波 形 ， 所 以 能 取 得 高 功 率 因 数 。 其 设 计 过 程 如 下 ：

— — 选 择 Uff分 压 电 阻 （ Uff设 定 范 围 1.5～ 4.7V， 工 作 范 围 0～ 5.5V） 设 低 进 线 电 压 （ 165V其 平 均 值 为 165× 0.9） 时 Uff=1.5V， 则 有 165× 0.9/1.5=99:1

设 分 压 电 阻 Rff3为 10 kΩ ， 则

RTOTAL=10× 99=990kΩ ， 设 Rff2=100kΩ ， 则 Rff1=900－ 100－ 10=880kΩ ，

Rff3、 Rff2分 别 并 联 滤 波 电 容 Cff2、 Cff1构 成 二 阶 滤 波 器 ， 滤 波 极 点 定 为 15Hz(fp=15Hz)， 滤 波 极 点 是 根 据 如 下 的 过 程 确 定 的 :

由 于 Uin是 二 倍 频 （ 100Hz） 正 弦 半 波 ， 而 Uff的 大 小 将 直 接 影 响 乘 法 器 输 出 的 100Hz正 弦 半 波 的 大 小 ,并 使 该 正 弦 半 波 包 含 4次 谐 波 分 量 。 因 此 要 求 Uff尽 量 为 平 滑 的 直 流 量 ， 同 时 考 虑 到 乘 法 器 对 输 入 电 压 幅 值 的 响 应 速 度 要 快 ， 为 此 要 求 该 二 阶 低 通 滤 波 器 的 转 折 频 率 不 能 太 低 ， 并 且 为 了 获 得 最 大 带 宽 ， 要 求 两 阶 滤 波 器 的 极 点 在 同 一 频 率 。 当 由 于 Uff失 真 引 起 的 谐 波 失 真 占 总 谐 波 失 真 的 百 分 比 被 限 制 在 1.5％ 以 下 时 ， 又 由 于 输 入 市 电 经 桥 式 整 流 后 产 生 的 二 次 谐 波 失 真 为 66.7％ ， 因 此 该 二 阶 低 通 滤 波 器 的 增 益 为 ： 1.5％ /66.7％ =0.025

平 分 给 两 级 低 通 滤 波 器 的 增 益 每 级 为 0.15。 根 据 增 益 与 转 折 频 率 的 关 系 ： 增 益 AV=fc/fin ， 已 知 输 入 信 号 的 频 率 fin=2× 50=100 Hz， 所 以 转 折 频 率 fc=15 Hz， 由 此 计 算 滤 波 电 容 的 大 小

— — 计 算 电 阻 RM0

最 低 进 线 电 压 时 IAC=100μ A且 乘 法 器 输 出 为 1V， 最 低 进 线 电 压 最 大 负 载 时 ， UEA（ 电 压 误 差 放 大 器 的 输 出 ） 为 最 大 值 6V， 因 此 根 据 乘 法 器 输 出 公 式

因 为 RM0上 的 电 压 是 乘 法 器 的 输 出 ， RC极 点 频 率 应 大 于 100Hz， 所 以 RM0并 联 噪 声 抑 制 电 容 C12为

C12≤1/(2πfpRMO)=1/(2π × 100× 4.5× 103)≈ 350nF 实 验 选 择 C12为 1nF。 4） 电 流 环 设 计

为 了 稳 定 运 行 ， 必 须 进 行 电 流 环 相 位 补 偿 。 电 流 环 补 偿 后 在 开 关 频 率 附 近 提 供 平 稳 增 益 。 在 低 频 的 零 点 响 应 提 供 高 增 益 完 成 平 均 电 流 控 制 工 作 。 在 开 关 频 率 附 近 误 差 放 大 器 的 增 益 要 配 合 电 感 电 流 的 下 降 沿 ， 当 开 关 管 关 断 时 ， 则 应 配 合 晶 振 的 坡 度 。

本 设 计 开 关 频 率 fs=80 kHz， 单 位 增 益 交 越 频 率 fc应 为 14 kHz（ 1/6开 关 频 率 ） ， 但 本 电 流 环 的 主 要 工 作 是 跟 踪 线 电 流 ， 10kHz的 带 宽 是 合 适 的 值 ， 因 此 将 交 越 频 率 定 在 fc=10kHz。 电 流 环 的 零 点 必 须 设 置 在 交 越 频 率 上 ， 或 低 于 交 越 频 率 处 。 如 设 置 在 交 越 频 率 上 ， 相 位 裕 度 有 45° ， 低 于 交 越 频 率 相 位 裕 度 更 大 点 。 45° 相 位 裕 度 的 系 统 工 作 稳 定 、 过 冲 低 、 干 扰 小 。 所 以 将 零 点 频 率 f z置 在 交 越 频 率 处 （ fz=10 kHz） 。 当 极 点 高 于 开 关 频 率 的 一 半 时 ， 极 点 不 会 影 响 控 制 环 的 频 率 响 应 。 为 了 减 少 对 噪 声 的 敏 感 性 ， 极 点 通 常 设 置 在 开 关 频 率 附 近 。 本 设 计 设 置 极 点 频 率 fp在 开 关 频 率 处 （ fP=80 kHz） 。 简 略 计 算 过 程 如 下 ：

零 点 处 功 率 部 分 的 增 益 Gid(s)为

=0.26

因 为 交 越 频 率 处 整 个 电 流 环 为 单 位 增 益 ， 即 GCA=1。 而 电 流 环 增 益 和 功 率 部 分 增 益 之 积 为 1， 则 有

5） 电 压 环 设 计

Boost电 路 输 出 部 分 的 低 频 模 式 是 电 流 源 驱 动 电 容 的 一 阶 电 路 ， 功 率 部 分 和 电 流 反 馈 环 组 成 该 电 流 源 ， 输 出 电 容 组 成 该 电 容 ， 该 模 式 具 有 － 20db/10倍 频 的 增 益 特 性 。 为 了 工 作 稳 定 ， 电 压 环 也 必 须 补 偿 ， 比 起 稳 定 性 ， 功 率 因 数 校 正 电 路 电 压 环 更 需 要 的 是 保 持 输 入 线 电 流 畸 变 小 。 电 压 环 的 带 宽 必 须 设 计 为 足 够 低 以 衰 减 输 出 电 容 上 的 工 频 二 次 谐 波 ； 电 压 误 差 放 大 器 也 必 须 有 足 够 的 相 位 裕 度 以 在 相 位 上 跟 踪 输 入 电 流 ， 使 功 率 因 数 提 高 。

电 压 环 部 分 的 设 计 从 计 算 输 出 电 容 上 允 许 的 二 次 谐 波 电 压 开 始 ， 再 计 算 电 压 放 大 器 允 许 的 输 出 二 次 谐 波 ， 及 由 此 算 出 电 压 放 大 器 的 二 次 谐 波 增 益 ， 由 该 增 益 值 可 以 算 出 电 压 环 的 补 偿 电 容 。 功 率 部 分 的 增 益 和 电 压 环 的 增 益 组 成 整 个 电 压 环 的 增 益 ， 整 个 电 压 环 的 增 益 为 1算 出 交 越 频 率 。 再 由 交 越 频 率 算 出 补 偿 网 络 的 电 阻 。 计 算 过 程 如 下 ： 输 出 电 容 的 纹 波 电 压 UOPK为

3 实 验 结 果

根 据 以 上 设 计 所 得 到 的 实 验 波 形 如 图 13、 图 14所 示 。 可 以 看 出 该 设 计 很 好 地 完 成 了 功 率 因 数 0.993， 效 率 0.95的 设 计 目 标 。

4 结 论

本 文 分 析 了 平 均 电 流 控 制 和 峰 值 电 流 控 制 的 特 点 ， 在 电 路 稳 定 性 、 对 噪 声 的 敏 感 性 和 电 路 设 计 简 便 等 方 面 ， 平 均 电 流 控 制 要 优 于 峰 值 电 流 控

制 。 然 后 又 将 一 种 平 均 电 流 模 式 控 制 芯 片 UC3854应 用 在 功 率 因 数 校 正 电 路 中 ， 取 得 了 良 好 的 应 用 效 果 。

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