開關(guān)電源PFC及其工作原理(圖文)

此電路雖然簡單，可以在前期設(shè)計的無PFC功能的設(shè)備上，簡單的增加一個合適的電感(適當(dāng)?shù)倪x取L和C的值)，從而達(dá)到具有PFC的作用，但是這種簡單的、低成本的無源PFC輸出紋波較大，濾波電容兩端的直流電壓也較低，電流畸變的校正及功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)哪芰Χ己懿睿襆的繞制及鐵芯的質(zhì)量控制不好，會對圖像及伴音產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾，只能是對于前期無PFC設(shè)備使之能進(jìn)入市場的臨時措施。

有源PFC電路的原理

有源PFC則是有很好的效果，基本上可以完全的消除電流波形的畸變，而且電壓和電流的相位可以控制保持一致，它可以基本上完全解決了功率因數(shù)、電磁兼容、電磁干擾的問題，但是電路非常的復(fù)雜，其基本思路是在220V整流橋堆后去掉濾波電容(以消除因電容的充電造成的電流波形畸變及相位的變化)，去掉濾波電容后由一個“斬波”電路把脈動的直流變成高頻(約100K)交流再經(jīng)過整流濾波后，其直流電壓再向常規(guī)的PWM開關(guān)穩(wěn)壓電源供電，其過程是; AC→DC→AC→DC。

有源PFC的基本原理是在開關(guān)電源的整流電路和濾波電容之間增加一個DC-DC的斬波電路圖8(附加開關(guān)電源)，對于供電線路來說該整流電路輸出沒有直接接濾波電容，所以其對于供電線路來說呈現(xiàn)的是純阻性的負(fù)載，其電壓和電流波形同相、相位相同。斬波電路的工作也類似于一個開關(guān)電源。所以說有源PFC開關(guān)電源就是一個雙開關(guān)電源的開關(guān)電源電路，它是由斬波器(我們以后稱它為：“PFC開關(guān)電源”)和穩(wěn)壓開關(guān)電源(我們以后稱它為：“PWM開關(guān)電源”)組成的。

圖8

斬波器部分(PFC開關(guān)電源)

整流二極管整流以后不加濾波電容器，把未經(jīng)濾波的脈動正半周電壓作為斬波器的供電源，由于斬波器的一連串的做“開關(guān)”工作脈動的正電壓被“斬”成圖9的電流波形，其波形的特點(diǎn)是：1、電流波形是斷續(xù)的，其包絡(luò)線和電壓波形相同，并且包絡(luò)線和電壓波形相位同相。2、由于斬波的作用，半波脈動的直流電變成高頻(由斬波頻率決定，約100KHz)“交流”電，該高頻“交流”電要再次經(jīng)過整流才能被后級PWM開關(guān)穩(wěn)壓電源使用。3、從外供電總的看該用電系統(tǒng)做到了交流電壓和交流電流同相并且電壓波形和電流波形均符合正弦波形，既解決了功率因素補(bǔ)償問題，也解決電磁兼容(EMC)和電磁干擾(EMI)問題。

該高頻“交流”電在經(jīng)過整流二極管整流并經(jīng)過濾波變成直流電壓(電源)向后級的PWM開關(guān)電源供電。該直流電壓在某些資料上把它稱為：B+PFC(TPW-4211即是如此)，在斬波器輸出的B+PFC電壓一般高于原220交流整流濾波后的+300V，其原因是選用高電壓，其電感的線徑小、線路壓降小、濾波電容容量小，且濾波效果好，對后級PWM開關(guān)管要求低等等諸多好處。

黑為電壓波形 紅色虛線為電流包絡(luò)波形

圖9

目前PFC開關(guān)電源部分，起到開關(guān)作用的斬波管(K)有兩種工作方式：

1、 連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)：開關(guān)管的工作頻率一定，而導(dǎo)通的占空比(系數(shù))隨被斬波電壓的幅度變化而變化,如圖10，

圖中T1 和 T2 的位置是：T1在被斬波電壓(半個周期)的低電壓區(qū)，T2在被斬波電壓高電壓區(qū)，T1(時間)=T2(時間)從圖中可以看到所有的開關(guān)周期時間都相等，這說明在被斬波電壓的任何幅度時，斬波管的工作頻率不變，從圖10中可以看出;在高電壓區(qū)和低電壓區(qū)每個斬波周期內(nèi)的占空比不同(T1和T2的時間相同，而上升脈沖的寬度不同)，被斬波電壓為零時(無電壓)，斬波頻率仍然不變，所以稱為連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)該種模式一般應(yīng)用在250W～2000W的設(shè)備上。

圖10

2、 不連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)：斬波開關(guān)管的工作頻率隨被斬波電壓的大小變化(每一個開關(guān)周期內(nèi)“開”“關(guān)”時間相等。如圖11：T1和T2時間不同，也反映隨著電壓幅度的變化其斬波頻率也相應(yīng)變化。被斬波電壓為“零”開關(guān)停止(振蕩停止)，所以稱為不連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)，即有輸入電壓斬波管工作，無輸入電壓斬波管不工作。他一般應(yīng)用在250W以下的小功率設(shè)備上，例如海信TLM-3277液晶電視接收機(jī)開關(guān)電源的PFC部分即工作在DCM模式。

圖11

(3)臨界導(dǎo)通模式(CRM)或過渡模式(TCM)：

工作介于CCM和DCM之間，工作更接近DCM模式。在上一個導(dǎo)通周期結(jié)束后，下一個導(dǎo)通周期之前，電感電流將衰減為零，而且頻率隨著線路電壓和負(fù)載的變化而變化。

優(yōu)點(diǎn)：廉價芯片、便于設(shè)計，沒有開關(guān)的導(dǎo)通損耗，升壓二極管的選擇并非決定性的;

缺點(diǎn)：由于頻率變化，存在潛在的EMI問題，需要一個設(shè)計精確的輸入濾波器。

開關(guān)穩(wěn)壓電源部分(PWM開關(guān)電源)

該開關(guān)穩(wěn)壓電源(PWM)，是整個具有PFC功能開關(guān)電源的一部分，其工作原理及穩(wěn)壓性能和普通的電視機(jī)開關(guān)穩(wěn)壓電源一樣，所不同的是普通開關(guān)穩(wěn)壓電源供電是由交流220V整流供電，而此開關(guān)電源供電是由B+PFC供電(B+PFC是選取+380V)。

目前應(yīng)用的具有功率因素校正開關(guān)電源中的PFC開關(guān)電源部分和PWM開關(guān)電源部分的激勵部分均由一塊集成電路完成，即PFC/PWM組合IC(如TPW-4211等離子電視的ML4824及TLM-3277液晶電視的 SMA-E1017等)，其基本框圖如圖12 (TPW4211離子電視V2屏開關(guān)電源PFC基本框圖)和圖13(海信TLM-3277 液晶電視開關(guān)電源PFC/PWM基本框圖)。

圖12 海信TPW-4211(V2屏)等離子電視開關(guān)電源PFC部分基本框圖

圖13 海信 TLM3277 液晶電視