Boost电路参数的设计

2 2 系统设计系统设计 2. 1 Boost2. 1 Boost 升压电感的设计升压电感的设计 要想设计出性能优良的 PFC 电路， 除了 IC 外围电路各元件值选择合理外， 还需特别认真选择 Boost 升 压储能电感器。它的磁性材料不同，对PFC 电路的性能影响很大，甚至该电感器的接法不同，且会明显地 影响电流波形;另外，驱动电路的激励脉冲波形上升沿与下降沿的滞后或振荡，都会影响主功率开关管的最 佳工作状态。当增大输出功率到某个阶段时，还会出现输入电流波形发生畸变甚至出现死区等现象。因此， 在 PFC 电路的设计中，合理选择 Boost PFC 升压电感器的磁心与绕制电感量是非常重要的。电感值的计 算以低输入电压 Uin(peak) 和对应的最大占空比 Dmax 时保证电感电流连续为依据，计算公式为： 式中 Uin(peak)———低输入交流电压对应的正弦峰值电压，V Dmax———Uin(peak) 对应的最大占空比 ΔI———纹波电流值，A; 计算时，假定为纹波电流的 30% fs———开关频率，Hz 占空比的计算公式为： 若输入交流电压为 220 V( 最低输入电压为 85 V)，输出直流电压为 390 V，开关频率为 fs =50 kHz，输 出功率 Po =350 W，则可计算得到 Dmax =0. 78，纹波电流为 1. 75 A，从而求得电感值 L3 =713 μH，实际电 感值取为 1 mH。 由于升压电感工作于电流连续模式，需要能通过较大的直流电流而不饱和，并要有一定的电感量，即 所选磁性材料应具有一定的直流安匝数。 设计中，升压电感器采用4 块 EE55 铁氧体磁心复合而成，其中心柱截面气隙为1. 5 mm，Boost 储能 电感器的绕组导线并不用常规的多股0. 47 mm 漆包线卷绕， 而是采用厚度为 0. 2mm、 宽度为 33 mm 的 薄红铜带叠合，压紧在可插4 块 EE55 磁心的塑料骨架上，再接焊锡导线引出，用多层耐高压绝缘胶带 扎紧包裹。去消用薄铜带工艺绕制的 Boost 储能电感，对减小高频集肤效应、改善 Boost 变换器的开关调 制波形、降低磁件温升均起重要作用。 2. 22. 2 输出电容设计输出电容设计 直流侧输出电容具有 2 个功能: (1) 滤除由于器件高频开关动作造成的直流电压的纹波;(2) 当负载发生变化时， 在整流器的惯性环节延 迟时间内，将直流电压的波动维持在限定范围内。 开关动作造成的纹波频率比较高， 只需要较小的电容就可以满足第 1 项要求。 第 2 项要求与负载功率 变化的大小、输出直流电压、输出纹波电压和保持时间 Δt 等因素有关，其中 Δt 一般取为 15 ～ 50 ms。 用 Δt 表达的输出电容值为： 式中 Δt———保持时间，电网断电后要求电容在时间 Δt 内电压不低于一定值 Uo———直流输出电压 Uomin———要求电网断电后，在保持时间内电容电压的最小值 按照降额使用的原则，该方案采用－ 20% 的安全范围，在最小保持时间条件下计算可得 Co =357 μF， 实际选用的标准电容值为 Co = 470 μF。 2. 32. 3 电流环与过流保护电流环与过流保护 电流环包括电流平均放大、脉宽调制(PWM)、外部升压电感和外部电流传感电阻等环节。 从电流传感电阻检测到的负极性信号送入 ISENSE 引脚进行缓冲、 反相放大后， 得到的正极性信号通过 电流放大器( gmi) 进行平均，其输出即为 ICOMP 引脚，ICOMP 引脚上的电压与平均电感电流成比例，该 引脚对地(GND) 外接一电容，提供电流环路补偿并可对纹波电流进行滤波。平均电流放大器的增益由 VCOMP 引脚内部的电压决定，该增益设置为非线性，故可适应全球范围内的交流输入电压。无论芯片处 于故障模式还是待机模式，ICOMP 引脚均在内部接至 4 V 电平。 脉宽调制(PWM)电路将 ICOMP 引脚电压信号与周期性的斜坡信号比较，产生上升沿调制的输出信号， 若斜坡电压信号大于 ICOMP 引脚电压，则 PWM 输出为高电平， 斜坡的斜率是内部 VCOMP 引脚电压的非 线性函数。 由内部时钟触发的 PWM 输出信号在周期开始时为低电平，该电平会持续一小段时间，称之为最小关 断时间( tOFF(min) );然后，斜坡电压信号线性上升与ICOMP 电压交叉，斜坡电压与ICOMP 电压的交叉点决 定了关断时间(tOFF)，也即 DOFF，由于 DOFF 满足 Boost 拓扑结构的方程:DOFF = UIN /UOUT，且输入 UIN 是正弦电压， ICOMP 与电感电流成比例， 控制环路会迫使电感电流跟随输入电压呈现正弦波形以进行 Boost 调制，因此平均输入电流也呈现正弦波形。 PWM 比较器的输出送入栅极(GATE) 驱动电路，虽然芯片的驱动电路具有多种保护功能，且栅极输出 的占空比最高可达99%， 但始终要存在一最小关断时间(tOFF(min) )。 正常占空比工作时， 输出过压保护(OVP)、 峰值电流限制(PCL)等，在每一周期均可直接关断芯片的栅极输出，欠压锁定(UVLO)、输入掉电保护(IBOP) 和开环保护/待机(OLP /Standby)等同样也可以关断栅极输出脉冲，直至软起动开始工作才恢复其输出脉冲。 电感电流通过电流检测电阻检测，该检测电阻位于输入整流器的返回通路上，检测电阻的另一端和“系 统地”相连。检测电阻和整流器相连的一端为所检测的电压，该电压始终为负值。芯片 UCC28019 共有 2 种 过流保护: (1) 峰值电流限制( PCL)， 可以有效防止电感饱和;(2) 软过流保护( SOC)， 可以有效防止输出过载;PCL 每 个基本周期均起作用。当 ISENSE 引脚上的电流检测电压达到－ 1. 08 V 时，PCL 动作并终止当前开关周 期;ISENSE 引脚上的电压可以通过－ 1. 0 V 的固定增益进行放大，使上升沿为空，从而提高噪声免疫力， 减少误触发。 SOC 主要限制输入电流。当 ISENSE 引脚上的电流检测电压达到－ 0. 73 V 时，SOC 动作，从而引起 内部 VCOMP 引脚上电平的变化，进而控制环路会及时地调整，以减小 PWM 占空比。 2. 42. 4 电压环与过压保护电压环与过压保护 PFC 预调节器双环控制的外环为电压环，主要包括PFC 输出电压检测、电压误差放大和非线性增益等 环节。 PFC 预调节器的输出电压对地(GND) 接一分压电阻网络，构成电压环路的检测模块。分压电阻的比率 由所设计的输出电压和内部的 5 V 标准参考电压来确定;与 VINS 引脚的输入一样，VSENSE 引脚上非常低 的偏置电流容许选择很高的实用电阻值， 以降低功率损耗和待机电流;VSENSE 引脚对地(GND) 接一小电容， 可以有效滤除信号高频噪声。需要注意的是，滤波时间常数应尽可能小于 100 μs。 跨导误差放大器(gvm)产生的输出电流正比于 VSENSE 引脚上的反馈电压和内部 5 V 参考电压的差值。 该输出电流对接于 VCOMP 引脚上构成阻容补偿网络的电容进行充、放电，进而建立合适的 VC