一種基于L6562的高功率因數Boost電路的設計方案

　　引言

　　Boost是一種升壓電路，這種電路的優(yōu)點(diǎn)是可以使輸入電流連續，并且在整個(gè)輸入電壓的正弦周期都可以調制，因此可獲得很高的功率因數;該電路的電感電流即為輸入電流，因而容易調節;同時(shí)開(kāi)關(guān)管門(mén)極驅動(dòng)信號地與輸出共地，故驅動(dòng)簡(jiǎn)單;此外，由于輸入電流連續，開(kāi)關(guān)管的電流峰值較小，因此，對輸入電壓變化適應性強。

　　儲能電感在Boost電路起著(zhù)關(guān)鍵的作用。一般而言，其感量較大，匝數較多，阻抗較大，容易引起電感飽和，發(fā)熱量增加，嚴重威脅產(chǎn)品的性能和壽命。因此，對于儲能電感的設計，是Boost電路的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。本文基于ST公司的L6562設計了一種Boost電路，并詳細分析了磁性元器件的設計方法。

　　Boost電路的基本原理

　　Boost電路拓撲如圖1所示。圖中，當開(kāi)關(guān)管T導通時(shí)，電流，IL流過(guò)電感線(xiàn)圈L，在電感線(xiàn)圈未飽和前，電流線(xiàn)性增加，電能以磁能的形式儲存在電感線(xiàn)圈中，此時(shí)，電容Cout放電為負載提供能量;而當開(kāi)關(guān)管T關(guān)斷時(shí)，由于線(xiàn)圈中的磁能將改變線(xiàn)圈L兩端的電壓VL卡及性，以保持其電流IL不突變。這樣，線(xiàn)圈L轉化的電壓VL與電源Vin串聯(lián)，并以高于輸出的電壓向電容和負載供電，如圖2所示是其電壓和電流的關(guān)系圖。圖中，Vcont為功率開(kāi)關(guān) MOSFET的控制信號，VI為MOFET兩端的電壓，ID為流過(guò)二極管D的電流。以電流，IL作為區分，Boost電路的工作模式可分為連續模式、斷續模式和臨界模式三種。

　　分析圖2，可得：

　　式(2)即為Boost電路工作于連續模式和臨界模式下的基本公式。

　　臨界狀態(tài)下的Boost-APFC電路設計

　　基于L6562的臨界工作模式下的Boost-APFC電路的典型拓撲結構如圖3所示，圖4所示是其APFC工作原理波形圖。

　　利用Boost電路實(shí)現高功率因數的原理是使輸入電流跟隨輸入電壓，并獲得期望的輸出電壓。因此，控制電路所需的參量包括即時(shí)輸入電壓、輸入電流及輸出電壓。乘法器連接輸入電流控制部分和輸出電壓控制部分，輸出正弦信號。當輸出電壓偏離期望值，如輸出電壓跌落時(shí)，電壓控制環(huán)節的輸出電壓增加，使乘法器的輸出也相應增加，從而使輸入電流有效值也相應增加，以提供足夠的能量。在此類(lèi)控制模型中，輸入電流的有效值由輸出電壓控制環(huán)節實(shí)現調制，而輸入電流控制環(huán)節使輸入電流保持正弦規律變化，從而跟蹤輸入電壓。本文在基于此類(lèi)控制模型下，采用ST公司的L6562作為控制芯片，給出了Boost-APFC電路的設計方法。

　　L6562的引腳功能如下：

　　INV：該引腳為電壓誤差放大器的反相輸入端和輸出電壓過(guò)壓保護輸入端;

　　COMP：該引腳同時(shí)為電壓誤差放大器的輸出端和芯片內部乘法器的一個(gè)輸人端。反饋補償網(wǎng)絡(luò )接在該引腳與引腳INV之間;

　　MULT：該引腳為芯片內部乘法器的另一輸入端;

　　CS：該腳為芯片內部PWM比較器的反相輸入端，可通過(guò)電阻R6來(lái)檢測MOS管電流;

　　ZCD：該腳為電感電流過(guò)零檢測端，可通過(guò)一限流電阻接于Boost電感的副邊繞組。R7的選取應保證流入ZCD引腳的電流不超過(guò)3 mA;

　　GND：該引腳為芯片地，芯片所有信號都以該引腳為參考，該引腳直接與主電路地相連;GD：為MOS管的驅動(dòng)信號輸出引腳。為避免MOS管驅動(dòng)信號震蕩，一般在GD引腳與MOS管的柵極之間連接一十幾歐姆到幾十歐姆的電阻，電阻的大小由實(shí)際電路決定;

　　VCC：芯片電源引腳。該引腳同時(shí)連接于啟動(dòng)電路和電源電路。

　　另外，在電路設計時(shí)，穩壓管D2應選用15 V穩壓管，電容C2應選用10μF的電解電容;二極管D5應選用快恢復二極管(如1N4148);電阻R3應選用幾百千歐的電阻。

　　圖5給出了由L6562構成的APFC電源的實(shí)際電路圖。圖中，輸入交流電經(jīng)整流橋整流后變換為脈動(dòng)直流，作為Boost電路的輸入;電容C4用以濾除電感電流中的高頻信號，降低輸入電流的諧波含量;電阻R1和R2構成電阻分壓網(wǎng)絡(luò )，用以確定輸入電壓的波形與相位，電容C10用以慮除3號引腳的高頻干擾信號;Boost電感L的一個(gè)副邊繞組，一方面通過(guò)電阻R7將電感電流過(guò)零信號傳遞到芯片的5腳，另一方面作為芯片正常工作時(shí)的電源;芯片驅動(dòng)信號通過(guò)電阻R8和R9連到MOS管的門(mén)極;電阻R11作為電感電流檢測電阻，用以采樣電感電流的上升沿(MOS管電流)，該電阻一端接于系統地，另一端同時(shí)接在MOS管的源極，同時(shí)經(jīng)電阻R10接至芯片的4腳;電阻R5和R6構成電阻分壓網(wǎng)絡(luò )，同時(shí)形成輸出電壓的負反饋回路;電容C9連接于芯片1、2腳之間，以組成電壓環(huán)的補償網(wǎng)絡(luò );電阻R4，電容C6，二極管D5，穩壓管D6和Boost電感的副邊則共同構成芯片電源。

　　Boost電感的設計

　　本設計采用AP法則來(lái)設計Boost電感。其原理是首先根據設計要求計算所需電感：

　　式中，Virms為輸入電壓有效值;Vo為輸出電壓，fsw(min)為MOS管的最小工作頻率，通常在20kHz以上;Pi為輸入功率。計算要求的AP值為：

　　式中，Ku為磁芯窗口利用率，Jc為電流密度，IL(pk)為電感電流峰值。

　　根據(4)式的計算結果可選擇磁芯的AP值(大于A(yíng)P_req，AP=AeAw，單位為m4)。

　　然后根據所選磁芯來(lái)計算原邊匝數及所需氣隙。副邊匝數一般按10：1選取。

　　實(shí)驗波形分析

　　為了驗證以上設計的合理性，本文設定最小輸入電壓為187 V，最大輸入電壓為264 V，輸入頻率為50 Hz，輸出電壓為400 V，PF=0.99，效率為87%，輸出功率26.5 W，最小工作頻率為65 kHz來(lái)進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗，同時(shí)根據計算，并通過(guò)IL(pk)=465.3 mA來(lái)選取導線(xiàn)為mm，Jc=4/mm2，L=2.99 mH(L=2.7 mH時(shí)，驗證最小頻率為72 kHz>65 kHz，可滿(mǎn)足設計要求)。

　　設Ku=0.3，δBmax=0.3T，由(4)式計算得：

　　AP_req(min)=6.64×10-10m4

　　這樣，可選擇磁芯EE16/6/5，其AP=7.5×10-10m4，可滿(mǎn)足設計要求;而由(5)式計算得Np=218.1匝，取215匝，并驗證δBmax=0.304T，氣隙lgap=0.41 mm

　　根據以上計算參數所搭建的試驗模型來(lái)進(jìn)行的結果如圖6所示。

　　由圖6可見(jiàn)，輸入電流能良好的跟隨輸入電壓，且電流電壓相位差接近于零，故可實(shí)現高功率因數的控制。另外，MOSFET的電流是一種高頻三角波，其包絡(luò )為輸入電壓。由于MOSFET可實(shí)現軟開(kāi)關(guān)，能有效減小開(kāi)關(guān)損耗。根據測試結果，該電路的PF可達0.998以上，THD在5%以下。

　　結束語(yǔ)

　　本文基于L6562芯片設計了Boost高功率因數電路，并引用AP法則設計其關(guān)鍵元器件——Boost電感。經(jīng)試驗驗證，該電路啟動(dòng)電流小，外圍元器件少，成本低廉，能同時(shí)滿(mǎn)足電源系統重量輕，穩定性好，可靠性高等要求。實(shí)驗證明，AP法則是一種快速準確的設計方法。