基于TPS759XX多片信号处理系统的电源设计

2. 2 　电路结构及工作原理
基于MC33262PFC 控制芯片的AC/ DC 变换器电路结构如图3 所示. 图中BD1 为整流桥,CY为干扰滤波电容,TR 为热敏元件,ZD1 为稳压管,EC 为电解电容,VR 为压敏元件, FUSE 为保险丝,1～8分别表示芯片引脚号.

　　图3 所示APFC 电路主要由控制器IC 芯片MC33262 、MOSFET 功率管Q1 、升压电感器L4 、升压二极管D2 、输出滤波电容EC2 及反馈环路组成.APFC 变换器的工作原理基于升压电感L4 的电流与电压之间的物理关系. 在Q1 导通时,升压二极管D2 截止,滤波电容EC1 通过负载放电. 当Q1 由导通跃变为关断时,L4 产生的突变电势使D2 正向偏置导通,L4 中的储能经D2 释放,对EC2 充电. 由于Q1 和D2 交替导通,使整流桥输出电流经L4 连续流动. 这就意味着整流二极管在交流电源的半个周期内,导通角趋于180°. 该电路采用双环反馈控制方案. 内环反馈的作用是将全波整流输出直流脉动电压通过R003 和R004 组成的电阻分压器取样输入到MC33262 第3 脚,以保证通过L4 的电流时刻跟踪输入电压按正弦规律变化的轨迹. 通过L4 的三角形高频电流的峰值包络线正比于输入交流电压,其平均电流则呈正弦波形,这就意味着电源输入电流也呈正弦波. 外环用作APFC 变换器输出直流电压的反馈控制. 直流输出电压通过R005 和R009组成的电阻分压器取样输入到MC33262 的第1 脚,MC33262 输出PWM 驱动信号调节MOSFET 功率管的占空比,以使输出电压稳定.

图3 　APFC实验电路结构图

交流输入电压经桥式整流,输出100 Hz 的正弦半波直流脉动电压,能够比较真实反映交流(AC) 输入电压波形的全波整流电压,经过电阻分压器分压、小电容C004 滤除高频噪声输入到芯片内部的乘法器. 滤波电容EC2 两端直流电压通过R005 和R009分压输入到芯片内部误差放大器的反相端,并与误差放大器同相端精密参考电压V_ref比较,产生一个直流(DC) 误差电压,作为一象限乘法器的另一路输入. 当AC 输入电压从零按正弦规律变化到峰值时,乘法器的输出控制电流传感比较器的门限,迫使通过MOSFET 功率管Q1 的峰值电流跟踪AC 输入电压的变化轨迹. 流过MOSFET 功率管Q1 的电流在电阻R010 上转换为电压信号,输入到芯片第4 脚,经过芯片内置阻容( RC) 低通滤波器, 输入到MC33262 芯片内电流检测比较器的正向输入端. 电感L4 电流的波形呈高频锯齿三角波,在电流值从零增长到峰值的过程中,Q1 是导通的. 乘法器的输出则是电感峰值电流的参考电压,只要在R011 上的传感电压超过电流检测比较器的门限电压,片内逻辑电路动作,输出MOSFET 功率管关断信号. 升压电感L4 的副边绕组Ns 将感应电压经D1 整流EC1 滤波,作为MC33262 芯片启动后的辅助电源;Ns 还用做L4 的高灵敏度的电流传感器. Ns 将流过L4 的电流检测后,经限流电阻R007 输入到片内零电流检测器,只要电感电流一降至芯片所设置的“零”电平, 零电流检测器则通过置位门锁驱动MOSFET 导通.

升压电感器L4 选用铁氧体材料铁芯和李氏漆包线绕制,原副边线圈匝数比为60/ 6. 原边N_p绕组的电感为580μH ,副边N_s是辅助电源及零电流检测绕组.

3 　实验结果
实验结果显示该AC/ DC 变换器在较宽广的输入电压范围下获得高度稳定的直流电压400 V 输出,纹波峰峰值在8 V 以下,输出额定功率达150W ,满载下效率η= 95 % ,功率因数λ≥0. 99 ,输入电流总谐波畸变D 6 %. 图4 和图5 所示记录了芯片3 脚的采样输入电压、交流输入电流波形. 图6 所示为MOSFET 上源极电阻上的采样电压波形,它反映了流经MOSFET 上的电流波形,即电感储能阶段电感电流波形. 可看出由于MOSFET 开关频率很高(将近70 kHz) ,在开关关断过程中源极电阻上有较强的干扰电流流过,示波器记录波形上出现不少尖峰毛刺. MC33262 芯片内已预先设置了RC滤波器对该信号做滤波处理,不过一般可在4 脚与源极电阻间考虑再增添一外部RC 滤波电路,增强抗干扰效果.

图4 　芯片3 脚电压采样输入波形

图5 　输入电流电阻采样波形

图6 　MOSFET上导通电流电阻采样波形

4 　结语
由MC33262 构成的功率因数校正电路外围结构简单,电路元器件少,电路的体积和成本下降,提高了系统的可靠性. 目前这种APFC 技术已经在开关电源、电子镇流器等诸多领域得到了应用. 该APFC 电路采用峰值电流控制方式,属于准连续电流模式,MOSFET 开关频率很高,这对EMI 滤波电路的设计有较高的要求. 不过该系列芯片与其他采用连续模式的APFC 芯片相比有着较高的性价比,值得作进一步完善研究.