NXP电源芯片-PFC工作原理

      PFC即是“功率因数校正”,它的存在使电源的表现相对于交流电源而言更像是一个纯电阻(纯电阻功率因数为1,PFC的存在就是使功率因数接近1).按照标准规定,电网输入功率在75W以上,需要符合谐波限制,这也是要求使用常见的有源功率因数校正技术。

     PFC工作模式有两种,分别是CCM模式和DCM模式,这里涉及到的NXP电源芯片即TEA1916,TEA1755等所采用的是DCM模式的工作原理。NXP PFC是BOOST电路的拓扑结构。

    采用DCM模式的好处:1,输入电压能自动跟随电流,控制简单;2,成本低,感量小,无PFC升压二极管反向恢复问题,这对于PFC二极管的选型要求相对不高;

    缺点就是它的功率是限制在300W以内,因为它是DCM工作模式,当你的功率做的越大时,峰值电流也会随着变大,损耗也会变大,另外这也会导致EMC整改变得更难。

一.NXP电源的PFC工作过程如下:

当它的on time固定时,峰值电流Ipeak与Vin成比例,意味者Ipeak将会跟Vin波形,当输入波形Vin为正弦波时,电流也同样是正弦波

    当PFC MOS导通时,Vin给电感充电,电感电流线性上升;当PFC MOS关闭后,PFC电感续流,通过升压二极管;因为PFC是工作在DCM,它本身是有一个死区时间,是在PFC电感泄放完能量后到下一个周期PFC MOS开通前的死区时间,PFC电感会和MOS本身的寄生电容振荡(PFC电感能量泄放完之后失去钳位则与电容发生振荡),在LC振荡期间,IC会检测退磁和谷底,当侦测到谷底,PFC mos导通,这保证电压在最低时导通开关损耗最小和减少EMI;这也是PFC电源芯片的检测机制。


二.理论基础:

        通过受控的On-time控制技术对PFC变换器的AC输入电流需求进行控制。On-time是由一个误差放大器决定的,该放大器检测输出电压,并将其与一个精准的参考电压进行比较(放大器环路响应应在远低于20HZ的频率衰减);因此,对于一个就AC交流输入周期来说,Ton是固定的,所以当AC电压从零到峰值呈现正弦波波动时,电感电流峰值也会成正弦波波动;在固定电感和Ton时间的情况下,峰值电感电流被自动强制跟踪输入电压,这项技术可以设想为滞后电流控制与更低电流水平设置为0。该方法大大简化了控制算法,与其他技术比较,降低了控制电路成本和复杂度.





三,再来谈谈PFC环路设计为什么这么“慢”与环路参数的计算?

        PFC输出电压有个2倍工频的波动,而这2倍工频的波动是来源于AC输入(50 or 60HZ),所以在设计外环时尽量要消除2倍频的波动,尽量输出电压的直流分量使波形更加平缓,从而获得稳定的输入参考。如果设计太宽,那么外环输出的波动使得电流参考也有2倍频波动,那么就会导致控制的电流无法正确跟随输入电压的波形;设计太”快”和太”慢”表现为对功率因数和动态性能的权衡,较低的带宽会导致更好的功率因数,但是动态会变差;而较高的带宽会导致比较好的动态响应,但是功率因数会变差。

如下图所示(NXP TEA19162 PFC控制框架),PFC环路的设计一般是使用一个电阻和两个电容组成,传递函数的第一个极点为0HZ,第二个极点为Ccomp1/Ccomp2,零点频率为Rcomp/Ccomp2,由于环路带宽不能设计太宽,所以设置零点频率为10HZ,,第二个极点频率在40HZ左右,所以通过以下两个公式和以上的参数可以得出环路的RC参数:

(1).fzero=1/(2*pi*Rcomp*Ccomp2);

(2).fpole=(Ccomp1+Ccomp2)/(2*pi*Rcomp*Ccomp2*Ccomp1);



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