1、無源功率因數(shù)校正電路的原理和應(yīng)用摘要:本文介紹SIEMENS公司提出的開關(guān)電源集成控制器TDA16846無源功率因數(shù)校正(PFC)電路原理及其在電視機(jī)開關(guān)電源中的應(yīng)用。功率因數(shù)的改善是基于一個特殊的由電感,電容及二極管組成的充電泵電路,該電路在功率管的高壓端兼起吸收緩沖作用,因此它具有輸入諧波電流分量小,PF值高以及EMI小、電路簡單、成本低和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。這為電視機(jī)廠家提供了一個高效價廉的解決電源諧波問題的新方案。關(guān)鍵詞:開關(guān)電源功率因數(shù)校正一、引言眾所周知,目前電視機(jī)和大部分通用電器都廣泛地從交流電網(wǎng)中提取電能經(jīng)整流后變成直流電供全機(jī)使用,AC電源經(jīng)橋式整流后常接一個濾波平整電容。由于該

2、電容的存在,使整流臂的導(dǎo)通時間小于半個周期,因而做成輸入電源電壓是正弦形,而輸入電流卻是正負(fù)交替的脈沖形。后者導(dǎo)致大量電流諧波特別是三次諧波的產(chǎn)生,這既構(gòu)成對電網(wǎng)效能的干擾和損害,又降低了本機(jī)功率因數(shù),為此，我國跟歐美各國一樣，已于去年12月1日起正式實(shí)施限制功耗大于75W的通用電器產(chǎn)品輸入諧波電流的新規(guī)定。面對這種新情況,當(dāng)前各電器廠家都必須考慮更新產(chǎn)品中的電源設(shè)備,尤其是對25英寸以上的彩色電視機(jī),過去國內(nèi)產(chǎn)品絕大部分都沒有安裝PFC電路,其PF值一般在0.550.65之間,輸入電流諧波分量往往超出國家限定的標(biāo)準(zhǔn),因此改進(jìn)電源電路,增加PFC功能以便降低電視機(jī)的輸入電流諧波分量是各廠家的當(dāng)

3、務(wù)之急。本文介紹由SIEMENS公司推出的與開關(guān)電源集成控制器TDA16846配合使用的一個無源功率因數(shù)校正(PFC)電路,該電路能將電源PF值提高到0.9以上,與有源PFC電路相比,它明顯地具有結(jié)構(gòu)簡單,成本低,可靠性高,和EMI小等優(yōu)點(diǎn),因此對電視機(jī)廠家來說,不失為一個有效的解決電源諧波問題的可行方案。二、無源PFC電路工作原理介紹   圖1示出一個不含PFC的標(biāo)準(zhǔn)型電源電路的輸入電壓Vm和輸入電流Im波形,Im只在Vm為正最大和負(fù)最大的一小段時間內(nèi)流通,在這些時間以外,Im為零。這是因?yàn)榇藭r的正弦電壓輸入值小于瀘波電容上的電壓,導(dǎo)致整流二極管不導(dǎo)通的緣故。圖1標(biāo)準(zhǔn)型電

4、源中的輸入電壓和電流為了在圖1中獲得一個形似Imp的電流,我們引入充電泵的概念,即它的作用就是能夠讓輸入電流從低壓端流向高壓端。圖2示出一個簡單的充電泵電路。圖中電容C1受直流電壓V1充電,電容C2則受直流電壓V2充電。V1小于V2,在V1和V2之間的充電泵電路是由二個二極管D1和D2以及電容C3組成,電容C3相對于C1和C2都較小,從電壓源V3進(jìn)來的脈沖通過電容C3后加到D1和D2的連結(jié)點(diǎn)上。如果脈沖V3的幅度大于差值(V2V1),那么就有圖2充電泵電路圖3RCD緩沖電路圖4PFC充電泵電路可能讓電流I1從較低的V1流向較高的V2。在每一周期內(nèi)通過電容C3上的電荷Q3為:Q3=C3×

5、;(V3(V2V1)=C3×(V3V1V2)假設(shè)V3的脈沖頻率為f3,則充電泵的電流I1為:I1=C3×f3×(V3V2V1)如果電壓V1不是DC電壓而是一個已整流的脈動電壓,并且如果V3=V2,則由上式可知電流I1會是一個正弦波。圖3示出基于TDA16846的反激式標(biāo)準(zhǔn)型開關(guān)電源電路,它含有一個常規(guī)的RCD緩沖電路用以消除開關(guān)管T漏極上的電壓過沖。其實(shí)這個RCD緩沖電路完全可以用在圖4中示出的一個由電感L,電容C及二極管D組成的充電泵電路所代替。這個充電泵電路是插入在橋式整流器（BR）,初級電容CP的正極和開關(guān)晶體管T漏極之間。現(xiàn)在BR代替了圖2中的二極管D1，

6、電感L的放入是為了避免功率管T導(dǎo)通后從Vmr產(chǎn)生大幅度電流脈沖對電容C充電。圖2中的脈沖電壓源V3現(xiàn)在由開關(guān)管漏極電壓Vt代替。由于充電泵電路不僅具有PFC功能而且兼有緩沖器功能,因此圖3中的RCD緩沖電路不再需要。這個充電泵可以阻止開關(guān)變壓器由充磁突變?yōu)橄诺倪^程中，由于Ip的不連續(xù)而對電視機(jī)圖象產(chǎn)生的低頻干擾。因?yàn)楫?dāng)開關(guān)管截止，變壓器的消磁過程開始時，二極管D導(dǎo)通，Ip可通過IpC形成一個LC振蕩回路，保持了LP流通瞬時的連續(xù)性，這使得所生成的寄生干擾信號在頻率和幅值上都大為下降，而且由于沒有電阻成分參與，所以原則上不會損失能量相比于原有的RCD緩沖器，其電源的轉(zhuǎn)換效率將有所提高。圖5從工

7、作波形上詳細(xì)地描述了PFC充電泵電路的原理和功能。假定輸入AC電壓為230V，在t0時刻開關(guān)管T受TDA16846的控制而導(dǎo)通。漏極電壓Vt由約600V跳降到零伏。由于初級電感LP的存在，初級電流LP開始直線性上升。Vt的跳變同時通過電容C傳送到L和D之間的連接點(diǎn)上（見圖4），所以電壓VP從400V降到近似200V。由于負(fù)的VP電壓，流過扼流圈L上的電流IL會逐步上升。并向電容C充電，這使VP在t0、t1期間有類似形狀的少許爬升。這時二極管D是截止的,Id=0。當(dāng)開關(guān)變壓器和扼流圈L的充磁階段在t1時刻完成之后，開關(guān)管T受TDA16846的控制轉(zhuǎn)為截止，漏極電流It=0。電壓Vt及VP將急劇上

8、升直到VP=VCP（400V）。此后Vt改為緩慢的爬升，而VP則保持在VCP電平上不變。與此同時電流IL（它早先是向電容器充電的）改為經(jīng)過二極管D流進(jìn)電容CP中。這使開關(guān)電源控制器TDA16846無源功率因數(shù)校正電路的原理和應(yīng)用圖5PFC充電泵電路的電壓和電流波形蘊(yùn)含在L中的能量轉(zhuǎn)移到CP中。利用這個原理，就使輸入電流從較低的Vmr值流向電容CP上較高的VCP值。從t1開始，由于二極管D的導(dǎo)通，由LP與C就形成一個回路，初級電流IP將流過LP，C和二極管D,一直到時間t2。而在t2時刻，次級二極管開始導(dǎo)通，變壓器開始向次級繞組釋放磁能。在t2t3的釋放磁能階段，初級電流IP很快下降為0，而扼流

9、圈L的電流IL則逐步下降。但電壓VP仍保持在VCP值上。從圖5可知，當(dāng)開關(guān)管的導(dǎo)通時間ton越長，則IL峰值越大，而ton是隨著次級負(fù)載的加大以及隨著輸入電網(wǎng)電壓的減少而加大的。亦即流入PFC充電泵電路的電流也會相應(yīng)加大。但這不必?fù)?dān)心扼流圈L的磁心會受飽和。因?yàn)镮L的最大值總是受限制于電容C上的充電電流IC。圖5同時畫出PFC充電泵電路的下一個周期波形。此種波形通常會發(fā)生在輸入AC電壓為最大值時刻。此時VP在導(dǎo)通期t3t5內(nèi)上升。但在中途t4處已達(dá)到固定值VCP。所以IC在時刻t4上變?yōu)?，而漏極電流It會有2個極大值。這是因?yàn)樵趖3t4期間，It為IP和IC之和，而t4以后則It完全由IP獨(dú)

10、自提供。在此種波形中，IL不再周期性地返回到零值。采用PFC充電泵電路的一大優(yōu)點(diǎn)就是它的簡單性和容易設(shè)計。事實(shí)上選擇合適的L,C參數(shù)組合就能很快地把一個普通開關(guān)電源轉(zhuǎn)換成PFC型。對于2534英寸CTV一般選擇L=12mH/2.2AC=10nF/600V,D可取快速恢復(fù)的耐高壓（600V/5A）二極管，例如STTA506D或FUF5406,FUF5407等都可以。在試驗(yàn)中可應(yīng)用示波器監(jiān)測AC電源的輸入電流波形，并調(diào)節(jié)電容C數(shù)值，以得到最佳的輸入電流Imp波形（見圖1）。圖6  含PFC充電泵的34英寸彩色電視機(jī)開關(guān)電源應(yīng)用電路三、應(yīng)用實(shí)例圖6給出了一個含PFC充電泵的34英寸彩色電視機(jī)開關(guān)電源應(yīng)用電路。該電源由以下部分組成，即：1）共模電源濾波器及橋式整流電路；2）由L905，C931，D910組成PFC電路；3）TDA16846開關(guān)電源控制器；4）600V/12A的MOSFETBUZ334；5）次級輸出及光耦反饋控制電路。開關(guān)電源工作機(jī)理以及TDA16846的功能介紹請參閱3。這里要強(qiáng)調(diào)的是為了抑制開關(guān)電源的噪聲，除在電源的輸入端接入二個共模濾波器L901,L902及中心抽頭落冷地的二個電容C904、C905以外，我們還在初級電感LP與BUZ334漏極之間接入一只快速反向恢復(fù)二極管D908，用以防止漏極電壓Vt的正上沖通過LP耦合到次級各輸出繞組中。另外為了旁