1、单相高功率因数整流电源摘要:本电源分作功率因数校正与 DC-DC 变换器两部分，均以 PWM 调制方式为基本工作方式。功率因数校正控制电路采用以 UC3854 为核心的有源功率因数校正专用控制电路，电路结构简单。DC-DC 变换器电路选用的是具有 PWM 可自动控制的芯片 SG3525 和推挽激励方式，用光电耦合器实现高低压电路的隔离。通过适当的电路组合，电源在 220V 交流输入时，达到了 36V 输出电压 3A 以上输出电流的要求。电源的功率因数达到了 96%以上，效率较高，开关电源的输出噪声和纹波电压远小于选题中的要求，电源质量指标极高。作品达到了题目的基本要求和扩展要求的功能。关键词：
2、功率因数；PWM 脉宽调制；DC/DC 变换；稳压一、系统设计方案与论证1.1 系统结构根据题目要求，为了设计和制作调整的方便，将电源电路分作功率因数校正与 DC-DC变换两部分，两者电路相对独立，电压值相互配合。功率因数校正部分由噪声过滤电路、整流滤波电路、BOOST 升压电路、功率因数控制电路等组成。DC-DC 变换电路由推挽式激励电路、PWM 调制电路、低压整流滤波电路、电压反馈电路、电流限制电路、辅助电源电路等组成。整体结构框图如下图所示。1.2 方案论证所谓高功率因数，实际上是指在正弦交流电压输入时，具有正弦交流电流波形，且电压、电流的相位相同。对于功率因数校正电路，常用于大功率开关
3、电源中。功率因数的控制相对比较复杂，本选题要求功率因数达到 95%以上，由单元电路组合的方式进行设计难以保证。因此，本设计采用功率因数专用集成器件为核心进行设计，即有源功率因数校正电路。目前，控制所用的集成电路种类较多，如ML4821、UC3854、CS3810 、TDA4814、KC34262 等，它们的工作方式有所还同。这里选用 UC3854 集成器件，它属于平均电流跟踪控制型。并具有完成升压变换器校正功率因数所需的全部控制功能，理论上功率因数达到 0.99 以上，输入电流波形失真小于 5%。升压电路采用最基本的 BOOST 电路。DC-DC 变换电路是开关电源的主体，其结构也有多种类型，
4、如反激励式、单管正激励式、推挽激励电路、半桥激励电路、全桥激励电路等。后三种类型比较适合大功率电源。推挽激励电路在激励管的驱动方式上较为简单，且在噪声抑制方面有一定的优越性，只是对激励管的耐压要求高了一些。本方案就选用推挽激励电路。为获得较高的效率和较小的体积，设计中采用脉冲宽度调制集成芯片 SG3525A 进行智能控制。SG3525A 集成了取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路，可以方便控制主回路，把交流电压变换成符合设计要求的高频方波脉冲电压，还有电压调整（稳压）控制和对电源或负载提供保护等功能。DC-DC 变换器中的 PWM 调制已有更多的集成器件可供选用。SG3525 是较
5、为常的典型器件，其控制功能全，驱动能力强。我们对此芯片使用次数较多，性能熟悉，本方案就选用这一器件进行控制。对于开关电源特有的噪声问题，在电源电路结构方案中和电路板装箱布局两个环节中加以解决。另外，电路规模较大，控制电路复杂，若配置独立的辅助电源，则性能会比较稳定，也有利于提高电路的整体工作效率。在本设计方案中配备一个辅助电源，其输出电压为取样比较电路、PWM 调制电路、显示电路等提供合适的电源。二、从原理上对技术指标的分析与处理2.1 DC-DC 变换器部分在基本要求中，输入电压为 220V，输出电压 36V2%；正常的输出电流为 0A2.8A，最大工作电流要达到 3.5A。也就是电源的输出
6、功率应该达到 130W，整体功率应该是150W。用单管正、反激励工作方式一般达还到这一功率要求，只有选用推挽、半桥、全桥激励电路三种，以上确定的推挽激励方式可以达到选题要求。从能量体积比上看，激励电路的工作频率应该是越高越好，但最终还是受到开关器件工作速度的制约。目前使用较广的是场效应管，它们的极限工作频率大约为 50kHz。本设计中的激励频率大致定在这一数值附近。电源的输入输出要求隔离，是一种常规设计方式，一般采用器激励变压器配光电耦合器进行隔离。在功率因数校正电路（PFC）电路中还涉及输出，无需隔离。在 DC-DC 变换电路中，为了方便电流、电压指标的设置，采用两只光电耦合器进行隔离反馈。
7、基本要求中，在输出电流3.5A 时启动过流保护，保护时无直流电压输出。在发挥部分要求过流故障排除后，电路自动恢复正常输出。这就要求出现过流情况后，当即停止电能输出，当然也无法进行实时检测，只能进行定时检测，决定是否恢复供电。因此，控制电路中设置电流检测电路的同时，还应包含一个单稳定态电路。基本要求中效率在 70%以上，发挥部分要求效率 85以上，这上个相当高的技术指标。虽然开关电源的工作效率远远高于普通型串联稳压电源，但仍有很大的功率损失。为了在本设计中提高效率，采用了以下几个措施：1.一般驱动管是开关电源中耗能最大的期间，提高驱动管的工作效率是开关电源的首要任务。本设计在选型上选择了工作速度
8、高，工作电流大，导通内阻小的 MOSFET 8N60、8N80 等，它要比三极管型的功率元件有更好的工作性能。辅助电源激励采用 TOP221集成器件，具有很高的工作效率。2在驱动电路结构上选择了推挽式功率驱动电路。这要比全桥式驱动电路减少一半MOS 管的功耗，要比半桥式驱动电路明显提高工作电压的利用率，使得有利于提高电路的工作效率。3整流器件选用肖特基二极管，不仅开关损耗少，有管压降造成的功率损耗也大大低于普通整流二极管，使得由整流二极管造成的功率损耗降到最低程度。同时采用肖特基二极管还具有其他优点。能使用肖特基二极管的地方尽量使用肖特基二极管。2.2 功率因数控制部分功率因数 PF (Pow
9、er Factor)的定义是交流输入有功功率 P 与视在功率 S 的比值，如下式：传统的功率因数概念是假定输入电流无谐波电流（即 I1=Irms 或 =1）的条件下得到的，这样功率因数的定义就变成了 PF=cos 。总谐波畸变 THD ( Total Harmonics Distortion)用来衡量电流波形的失真情况时，PF 与总谐波失真系数的关系表示为：THD 指标能很好地衡量非线性电路的功率因数。例如，当 THD5%时，PF 值可控制在 0.999 左右。对于开关电源的功率因数问题，主要针对于谐波失真。对于升压电感的设计中，电感量将决定在输入侧高频纹波电流的大小，电感量按下式计算由于高频
10、的纹波电流会被加入到线电流峰值中，所以电感电流的峰值回等于线电流峰值与高频纹波电流峰对峰值一般的总和，电感必须能够承受这一数值的电流。三、电路说明及测试方法3.1 功率因数校正控制电路本电路 PFC 控制电路采用 UC3854 集成芯片，该芯片集成了电压控制、平均电流跟踪限制、乘法器、驱动、保护和基准源等电路，它是一种有源功率因数校正专用控制电路。该电路工作频率为： 。取 1000P，22k，乘法器最大电流限制为3.75V/RSET，即 Im=0.17mA。电流取样电阻上的峰值电压最好为 1V 左右。则 Rmo=，实际取用 6.8k。因此，我们利用该电路对功率因数进行调整以达到设计要求。功率因
11、数校正电路的单独测量：以一组电灯泡作为负载，在交流电源的输入端口加接一只电流取样电阻，用双踪示波器同时测量输入的电流波形和电压波形，功率因数校正前和校正后的波形图分别如下两图所示。3.2 限流保护电路通过电流取样电阻对输出电流进行取样，所形成的电压送入电压比较器比较，当电流过大时输出低电平，触发 555 电路构成的单稳态电路进入定时阶段，关闭脉宽调制的输出脉冲，从而实现电源输出电压为零，保护电源。定时结束后，重新启动电源输出，若正常即进入工作，若仍然过流，重新保护。定时时间设为 2s。3.3 DC-DC 变换器总电路DC-DC 变换器总电路如附件图所示。因 DC-DC 变换器还带交流电源的整流
12、电路，其测试必须配合 PFC 电路进行。首先用双踪示波器观察激励管漏极的电位波形曲线，在没有出现过高电位的情况下，再用双踪示波器的交流输入功能观察电源的输出电压的纹波及噪声波形，并对电路进行必要的调整。3.4 单相高功率因数整流电源整体电路测量为了安全和提高抗干扰能力，电路板集中装于机箱中，直流电压输出端口接于前面板上，考虑交流电输入功率测量和功率因数测量的方便，将交流电的输入电压测量端口和电流测量端口共四个置于机箱后部，可以连接相应仪表，如下图所示。注意：电源测量中，最好通过隔离变压器供电。尤其是用示波器测量电源内部电路，必须通过隔离变压器供电。测试仪器主要有 DF1642B-3A 直流稳压
13、源、UNI-T 数字万用表、 GOS6021 双踪示波器、QTZ 型半导体特性仪等。四、测量数据与结果分析4.1 测量数据轻载输出电压：36.2V额定输出电压：36V额定输出电流：2.8A保护电流： 3.5A额定输出功率：100W额定输出时电源效率：85%功率因数： 0.98（用示波器观察波形关系得到）测得噪声纹波峰峰值：0.2V保护电路恢复时间： 2s该电路的输出电流可以达到 2.8A 以上，约 3.5A 电流输出时关断开关器件，进行过流保护。在 2 秒后，电路进行软启动，在排除过流故障情况下能够进行自动恢复，否则继续过流保护。4.2 测试结果分析根据以上系统测试得到的数据，其参数符合发基本要求和发挥部分的要求。4.3 改进方法本次制作的开关电源输出纹波虽然已符合选题要求，但比以前制作的电源纹波大得多，还有可减小的余地，但进一步减小纹波的方法尚未找到，有待以后继续学习研究。参考文献：1康光华. 模拟电子技术 北京：清华大学出版社，19972杨旭，王兆. 开关电源技术.北京：机械工业出版社俐，19993周志敏，周纪海.开关电源使用技术设计与应用北京：人民邮电出版社，2003.84王志强，郑俊杰.开关电源设计与优化北京: 电子工业出版社,2006.125杨帮文.实用电源电路集锦.北京：电子工业出版社，1998.1附图
