獨立PFC的高性價比輔助電源設計

摘 要：PFC的研究已經(jīng)從如何實現(xiàn)高PF值、降低THD等基本功能向數(shù)字化、高功率密度和高性價比等方向發(fā)展。輔助電源作為PFC的重要組成部分，其性價比成本對整機性價比有相當?shù)挠绊憽ａ槍?a class="contentlabel" href="http://www.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/獨立PFC">獨立PFC的控制芯片，本文設計了一款高性價比的輔助電源。

關鍵詞：獨立PFC；高性價比；輔助電源

1 概述

自 IEC61000-3-2 標準頒布后，功率因素校正器 (power factor corrector, PFC) 已經(jīng)從研究熱點逐漸變成眾多電子電氣設備的標配。PFC 的研究方向也從如何提高 PF 值 ( 功率因數(shù)的大小 )、降低 THD( 總諧波失真 ) 向數(shù)字化、高功率密度和高性價比等方向轉變。

在各種 PFC 的實現(xiàn)電路中，最基本的是使用 BOOST 拓撲或其改進電路實現(xiàn)的有源功率因數(shù)校正器。PFC 的控制芯片，無論是微控制器還是電源管理芯片，都需要輔助電源供電。輔助電源的實現(xiàn)，一般利用 PFC 后級隔離電源（如反激式變換器）的變壓器輔助繞組進行簡單整流、濾波。然而在有些應用中，PFC 是模塊化的或直接接負載（這類 PFC 本文稱之為獨立 PFC），無法利用變壓器輔助繞組，這就需要設計輔助電源。

獨立 PFC 的輔助電源，根據(jù)具體的應用場合有不同的實現(xiàn)方法，例如，在實驗室中可以直接應用線性電源設備，在大功率設備中，可以使用電源模塊作為輔助電源。

針對獨立 PFC 的輔助電源，本文將分別介紹線性電源方案、開關電源方案和輔助繞組方案，最后結合具體的產(chǎn)品，設計一款高性價比的輔助電源。

2 線性電源方案

線性電源方案是最成熟的電源方案，具有精度高、噪聲小等優(yōu)點，也有效率低、體積大等缺點。針對獨立 PFC 的輔助電源，常用的線性電源方案有兩個：低頻變壓器方案和 BJT( 雙極性三極管）方案。

低頻變壓器方案，直接利用低頻變壓器對市電進行降壓，然后用三端穩(wěn)壓器進行穩(wěn)壓，具有電路簡單、變壓器體積大、成本高的特點。BJT 穩(wěn)壓方案 , 利用 BJT 對市電整流后的高壓進行線性調(diào)整、然后用穩(wěn)壓二極管進行穩(wěn)壓，具有電路簡單、效率低、散熱器體積大的特點。

3 開關電源方案

通常，獨立 PFC 的輸入是市電 ( 交流 220 V±20%)，整流濾波后的電壓為 249 ～ 342 V，輸出電壓為 400 V 左右。輔助電源的輸出電壓為 15 V 左右，這種高輸入電壓低輸出電壓的場合，特別適合用開關電源。針對獨立 PFC 的輔助電源，常用的拓撲有 FLYBACK( 反激式 變換器 ) 和 BUCK（降壓變換器）。

FLYBACK 拓撲成熟、效率高、可靠性高，但此拓撲需要用到變壓器，成本較高、體積較大。BUCK 拓撲電路簡單，效率高、體積小，但是輸入輸出壓差大，占空比小，可靠性差。

4 輔助繞組方案

對于獨立 PFC 來說，由于沒有后級隔離電源，因而無法直接使用變壓器的輔助繞組來實現(xiàn)輔助電源。慶幸的是，PFC 自身帶有一個升壓儲能電感，可以考慮在此電感上增加一個繞組，來實現(xiàn)輔助電源。

下面以基于英飛凌的 ICE3PCS03G 方案設計的一款 60 W 獨立 PFC 為例，對輔助繞組方案進行較為詳細的介紹，PFC 電路原理圖如圖 1。

在 PFC 主電感 L1 的磁芯上增加 1 個繞組，形成 1 個變壓器 T1，其初級繞組就是 L1，次級繞組作為輔助電源的輸入。在 PFC 啟動前，升壓電感 L1 兩端的壓差較小且為直流，無法實現(xiàn)變壓。因此，此無論變壓器繞組的匝比和同名端如何，都無法實現(xiàn)輔助電源。解決的辦法是，以整流后的電壓 V_REC 為電源、通過啟動電阻 R11 和 R12 對電解電容 CD11 進行充電，先啟動 PFC。一旦 PFC 啟動，V_out 即為穩(wěn)定的 400 V 電壓，VR 為穩(wěn)定的半正弦波，VQ 為 0 ～ 400 V 的矩形波。此后，升壓電感 L1 兩端（即變壓器 T1 的初級）就有了交流電壓，變壓器次級也就有了交流電壓，經(jīng)過整流、濾波和穩(wěn)壓就能實現(xiàn)輔助電源了。下面對輔助電源的電路和參數(shù)進行設計。

按照電磁感應定律的相關理論并結合同名端的設計，可知：

T 為 MOS 管的開關周期；D 為 PFC 的占空比； N 為 自 然 數(shù)，V_out 為 PFC 的輸出；VR 為 L1 前端電壓；VQ 為 L1 后 端電壓（忽略二極管的壓降，當 MOS 管 Q1 關斷時，VQ = 400 V ）；Vaux 為變壓器次級輸出電壓，Vaux 的波形如圖 2。

這是一個峰值為VR×N2 / N1、谷值為（VR-400）×N2 / N1、頻率為 100 Hz 低頻疊加 65 kHz高頻的準周期波。

圖5 獨立PFC的高性價比輔助電源電路

此輔助電源所用的電路技術成熟、結構簡單、性能穩(wěn)定，所用的物料均為成本很低的常規(guī)物料，所以性價比很高。另外，此輔助電源沒有用到體積大的散熱器、變壓器（輔助繞組不增加體積、只是增加兩個焊點）和成本高的 IC、MOS 等，因此也有利于節(jié)省整機的空間和成本。采用高性價比輔助電源得到的輔助電源波形如圖 6。

圖6 V_CC波形

V_CC 的實測值為穩(wěn)定的 15.4 V，在穩(wěn)壓二極管 Z11(BZT52C15)工作電壓的正常范圍之內(nèi) (14.25 ～ 15.75 V)，設計合理。

6 結束語

本文以具體應用為例，結合獨立 PFC 電路本身的特點，設計了一款高性價比的輔助電源。此輔助電源適用于功率較?。ㄈ?200 W 以下）、輸入電壓范圍較窄（如 176 Vac ～ 242 Vac），且要求體積小、成本低的獨立 PFC。對于其它應用場合，需要根據(jù)客戶對產(chǎn)品的具體要求，設計相應的輔助電源。

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(注：本文轉載自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年11月期)