一种基于TDAl6846的新型有源功率校正电路设计

1 概述

早期的功率因数校正技术(PFC)主要是靠无源器件电感、电容实现的，称之为无源PFC技术。其方法是，在整流桥后面串接一个较大的电感，以改善滤波电容充电波形和增加电流的连续性，达到提高功率因数的目的。这种无源PFC技术虽然实施简单，但是体积大，很笨重，效果也不理想，功率因数仅可校正至0.85左右[1]。

近年来，随着微电子技术和电力电子技术的发展，一种以boost变换器为主的有源功率因数校正器(APFC)得到了发展。这种APFC变换器大多工作于连续导电模式(CCM)，其工作原理是：采用多数入口乘法器(Multiplier)，取样整流后的脉动波形，并和输出电压误差放大器的误差电压相乘，经电流调节环节产生PWM波形，使经过电感的电流按正弦规律变化，从而达到了PFC目的。这种校正方法可使电源的功率因数接近1，因此广泛地应用于电力电子设备中[2]。但是这种APFC技术由于结构较复杂，较适合于较大功率容量的变流设备；而对于大量应用的200 W以下的变流设备，就显得不合适。

本文推出的以"电荷泵"(Charge Pump)校正原理设计的APFC电路，由于结构简单、制作方便，适合于较小容量的电子设备，有广阔的应用前景。

2 电荷泵功率因数校正技术

2.1 原理简介

在普通的容性负载整流电路中，电流仅出现在正弦电压的峰值附近，如图1(a)所示。图中，Vm表示输入交流电压波形，Im表示电流波形。其工作原理是：当整流后的正弦电压小于滤波电容两端电压时，整流二极管不导通，亦无电流流入。只有整流后的电压大于滤波电容上的电压时才有电流。所以在输入电路中，给电容充电的电流不连续，从而使其相位与电压不一致，造成功率因数下降。如果采取某些措施，使整流后电压在低于滤波电容上的电压时也有电流流入，而且电流的变化规律和输入电压波形一致，就可提高其功率因数，电荷泵电路就具有上述功能；Imp表示经电荷泵电路后的电流波形。

电荷泵电路的特点就是能使电流由低电势流向高电势，并保持正弦波形状，其工作原理如图1(b)所示。图中V1表示经整流后的输入电压，V2表示滤波电容C2上的电压，V3为辅助电压。在该电路中即使V1<V2，只要V3的峰峰值大于V2一V1，就会有电流连续地向V2充电。其工作过程是：当V3脉冲电压下降接近零电平时，D处电势也下降。这样D1导通，D2截止，电流通过D1流入C3，给C3充电，电荷蓄积在C3上。当V3脉冲电压上升时，D点电位亦上升，VD=V3+VC3。由于VC3△V1，V3>V2一V1，从而使VD>V2。这样D1被截止，D2导通，C3通过D2放电，电流流向V2，实现了较低电压V1间接流向V2的目的。实际上通过这种电路使V1完成了给C2充电的过程。

在电荷泵电路中，每次传送的电量为：

Q=[V3一(V2一V1)]C3=(V3+V1一V2)C3 (1)

如果V3的频率为f3，则传送的电流(即输入电流)I1为：

I1=(V3+V1一V2)C2f3 (2)

上式中，V3是V2经开关变压器和二极管产生的(参见图4)。在不考虑变压器初级电阻和二极管正向压降的情况下，V2=V3。因此，式(2)可以变形为：

I1=VlC3f3=k·V1 (3)

由式(3)可见，这时输入电流随输入电压V1的正弦包络变化，从而达到了功率因数校正的目的。

图2给出了实际应用结构图。该图中的电容C，整流桥BR和二极管D分别代替了图1(b)中的C3，D1和D2。从结构上讲，该图是一个标准的开关电源电路。图中的电感L，快恢复二极管D和电容C既完成了电荷泵的功能，也构成了一个能吸收由开关管T在开关过程中激起的尖峰电压的缓冲电路。图中，电荷泵是插入在BR，滤波电容Cp的正端和开关管T的漏极之间，如图中虚线框内所示。当开关管T导通时，输入电压Vin经BR整流后的电压Vinr给C充电。当T关断时，C经过D给Cp充电，从而完成"泵电"的过程。为了防止形成瞬时尖峰脉冲，串接了电感L。

来源：21IC电子网