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APFC原理及實(shí)現(xiàn)思路

APFC的原理

開(kāi)關(guān)電源的波形失真的罪魁禍?zhǔn)资钦鳂蚝竺娴碾娙?，使用逐流電路后可以緩解這個(gè)問(wèn)題，但不能根除，而主動(dòng)式PFC能夠根除這個(gè)問(wèn)題。

主動(dòng)式PFC的方法是直接將整流橋后面的電容直接去掉，讓輸入電流持續(xù)。

光讓電流持續(xù)還不夠，還必須讓整流橋后面的部分看起來(lái)像一個(gè)電阻，使得電流是隨著輸入電壓的變化而變化的。

因?yàn)殚_(kāi)關(guān)電源在整流橋后面是一個(gè)電感負(fù)載，開(kāi)關(guān)電源需要控制t，來(lái)使得?vdt和V成正比。

APFC的形式

開(kāi)關(guān)電源是通過(guò)開(kāi)關(guān)切換來(lái)間歇式的將能量傳遞過(guò)去，因此不可能使瞬時(shí)電流呈現(xiàn)出一個(gè)連續(xù)平滑的正弦波形，只能使平均電流波形呈現(xiàn)出正弦波形。

一共有3種形式的電流波形，對(duì)應(yīng)3種模式CCM，BCM(CRM)，DCM。

電流平滑

開(kāi)關(guān)電源只能制造鋸齒形的電流，而PFC要求較平滑的電流，否則電流THD會(huì)很大，因此，需要在輸入端加一個(gè)電流低通濾波電路。

電流濾波使用電感和電容，電感對(duì)電流進(jìn)行平滑，而電容儲(chǔ)存能量，應(yīng)付PFC過(guò)程中的電流突變。

三種模式的對(duì)比

這三種模式，其本質(zhì)上的區(qū)分是流過(guò)電感的電流。CCM，電感電流是連續(xù)的；BCM，電感電流不連續(xù)，但不會(huì)持續(xù)為0；DCM，電感電流有持續(xù)為0的時(shí)候。

從電源功率來(lái)說(shuō)：CCM > BCM > DCM。

從理論上來(lái)說(shuō)，高功率的也可以用于低功率，但CCM的控制環(huán)路存在巨大缺陷，無(wú)法做到高切換頻率，因此在小功率段通常是不使用CCM的。

BCM的實(shí)現(xiàn)方法

要讓BCM的平均電流為正弦，需要兩個(gè)條件：一是流過(guò)電感的電流的峰值包絡(luò)為正弦；二是輸入平均電流和電感峰值成比例。

對(duì)于第二個(gè)條件，除了boost外，其他拓?fù)涠甲霾坏健?

Boost拓?fù)湓谡麄€(gè)周期內(nèi)都有輸入電流，平均電流正好是包絡(luò)電流的1/2，而對(duì)于其他拓?fù)?，只有在TON時(shí)間內(nèi)，輸入電流才有，Toff時(shí)間內(nèi)輸入電流為0，這樣就導(dǎo)致平均電流和峰值電流并不是一個(gè)固定的比例關(guān)系。

Boost實(shí)現(xiàn)BCM的方法

電路需要得到2個(gè)時(shí)間點(diǎn)，當(dāng)前周期的TON結(jié)束和當(dāng)前周期的TOFF結(jié)束的時(shí)刻。

當(dāng)前周期的TON結(jié)束由電流峰值比較器來(lái)檢測(cè)，而TOFF的結(jié)束由過(guò)零比較器來(lái)檢測(cè)。

導(dǎo)通時(shí)間的問(wèn)題

仔細(xì)觀察BCM，可以看到導(dǎo)通時(shí)間貌似是恒定的，這個(gè)不是故意畫(huà)得一樣，而是有原因的。

電感上的電流可以用公式來(lái)表示，電感上的電流直線上升，上升斜率取決于輸入電壓，而上升的終點(diǎn)同樣取決于輸入電壓，這樣就導(dǎo)致導(dǎo)通時(shí)間最終和輸入電壓無(wú)關(guān)了。

PFC方法的改進(jìn)-固定導(dǎo)通時(shí)間

又前面的分析可知，Boost實(shí)現(xiàn)PFC后，導(dǎo)通時(shí)間變成恒定了，那么反過(guò)來(lái)，一上來(lái)就將導(dǎo)通時(shí)間設(shè)成恒定，是不是也能實(shí)現(xiàn)PFC，答案是肯定的。

改進(jìn)后，就成了主動(dòng)固定導(dǎo)通時(shí)間，因而省掉了峰值電流比較電路。

固定導(dǎo)通時(shí)間是目前非常主流的PFC技術(shù)，適合用數(shù)字控制，計(jì)數(shù)器產(chǎn)生固定寬度的正脈沖，每次過(guò)零比較器檢測(cè)到退磁點(diǎn)，便產(chǎn)生一個(gè)正脈沖。

PFC電源調(diào)整輸出電壓的方法

很多電源都有穩(wěn)壓的需求，所謂穩(wěn)壓實(shí)際上就是調(diào)整電源傳遞的能量，對(duì)于固定導(dǎo)通時(shí)間來(lái)說(shuō)，調(diào)整峰值電流的包絡(luò)線就可以調(diào)整平均電流，也就調(diào)整了輸入功率，進(jìn)而調(diào)整了輸出電壓。

因?yàn)檩斎腚妷簽锳C，總是不變的，因此電感上電流斜率是不變的，縮放包絡(luò)線后，相當(dāng)于改變了峰值電流比較器的閾值，電感上的電流三角波會(huì)變化，包絡(luò)線越矮，平均電流越小，輸出功率越低，TON時(shí)間越短，開(kāi)關(guān)的切換頻率越高。

輸出穩(wěn)壓的方法

由前面的分析可知，要調(diào)整輸出電壓，只需要調(diào)整TON即可，因此將輸出電壓反饋回來(lái)，調(diào)整TON即可。

BCM的問(wèn)題和解決

BCM的特點(diǎn)是輸出功率越低，切換頻率越高，如果電源本身需要在較大的輸出功率內(nèi)切換，比如調(diào)光，需要在1%-100%之內(nèi)切換，開(kāi)關(guān)管的切換頻率也需要接近100倍的變化范圍。

這么大的變化范圍是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，無(wú)論是MOS還是電感，都不可能在這么大的切換頻率內(nèi)始終保持最優(yōu)工作狀態(tài)。

解決方法是在每個(gè)周期插入死區(qū)等待時(shí)間，使BCM變成DCM模式。

加入死區(qū)等待的DCM

如果需要降低輸入電流，可以不調(diào)整TON ，但是在每個(gè)切換周期后面增加等待時(shí)間，輸入電流降低越多，等待時(shí)間越長(zhǎng)，在TON不變的情況下，輸入電流越低，頻率越低。

如果調(diào)整范圍不大的話，加入死區(qū)等待就足夠了，如果調(diào)整范圍大的話，可以結(jié)合死區(qū)等待和包絡(luò)線調(diào)整，或者以一個(gè)為主，另一個(gè)為輔，比如以包絡(luò)線為主，死區(qū)等待為輔，或者使用兩個(gè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的調(diào)整。

--數(shù)字控制的方式，TON的最小調(diào)整粒度為1個(gè)TCLK ，而引入死區(qū)等待（補(bǔ)償）后，最下調(diào)整粒度可以高于一個(gè)TCLK。

結(jié)合死區(qū)等待后的穩(wěn)壓算法

同時(shí)使用調(diào)節(jié)TON和TDEAD后，控制算法會(huì)變得復(fù)雜，一種算法思路如下：

以TON為主來(lái)調(diào)節(jié)輸出功率，通過(guò)TON調(diào)節(jié)包絡(luò)線的高度，TDEAD存在完全是為了調(diào)節(jié)頻率，這樣就得到了2種方法：

一是，先調(diào)TON ， TON調(diào)不動(dòng)了后再調(diào)TDEAD ，或者先調(diào)TDEAD，再調(diào)TON；

二是，先調(diào)TON ， TON調(diào)不動(dòng)了后再調(diào)TDEAD ，或者先調(diào)TDEAD，再調(diào)TON；

對(duì)比幾種算法

從開(kāi)發(fā)難度來(lái)說(shuō)，一次調(diào)一個(gè)參數(shù)肯定比一次調(diào)多個(gè)參數(shù)要簡(jiǎn)單，但一次調(diào)多個(gè)參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)更豐富的算法，比如對(duì)參數(shù)進(jìn)加權(quán)，就可以實(shí)現(xiàn)不同的曲線效果，甚至可以做到自始至終切換頻率不變。

注意到兩個(gè)參數(shù)的曲線總是不同趨勢(shì)的， TON增加，切換頻率降低，而TDEAD 減少，切換頻率升高，因此理論上可以做到切換頻率不變。

死區(qū)時(shí)間的多周期均衡關(guān)系

在BCM情況下，平均電流天然就是正弦，而引入死區(qū)等待后，變成DCM，平均電流不再能天然正弦，這個(gè)時(shí)候需要使用數(shù)字算法來(lái)均衡每個(gè)周期的TDEAD，使平均電流依然既能保持正弦形狀。

所謂均衡，就是指插入到各個(gè)周期內(nèi)的TDEAD保持一定的關(guān)系。

均衡算法的開(kāi)發(fā)思路如下：

擴(kuò)展到其他拓?fù)?/strong>