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《西安电子科技大学》 2010年
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单周期临界导通PFC转换器控制模式及关键技术研究

李娅妮  
【摘要】:随着各种电子设备和产品的快速发展,以及集成电路制造工艺的不断进步,开关电源已成为当今电子设备的研究热点之一,并影响着电子产品设计的成功与否。作为开关电源的主要控制技术之一,功率因数校正技术也在经历不断的改进,向着高效率、低成本、低功耗、以及轻薄小的方向发展。功率因数校正(Power Factor Correction, PFC)技术能有效抑制电网一侧的输入电流波形畸变,减小总谐波失真(Total Harmonic Distortion, THD),从而满足电网对开关电源功率因数及谐波含量日益严格的要求,特别是能够满足更多的便携式电子产品在小功率应用场合的普遍需求。 本文首先对单级有源功率因数校正电路的工作原理和控制模式进行了较全面的论述。由于其低成本、低功耗的特点,单级有源PFC通常适用于中低功耗的便携式电子产品。接下来对单级Boost PFC转换器的拓扑结构、工作原理和稳定性进行了较为深入的讨论,包括电流连续导通模式(Continuous Conduction Mode,CCM)、电流断续导通模式(Discontinuous Conduction, DCM)、以及临界导通模式(Boundary Conduction Mode, BCM) Boost PFC转换器的实现方法及其工作原理。 对单周期控制技术的非线性控制机理、工作原理、调制规律、以及不同工作模式(CCM、DCM、BCM)下单周期Boost转换器的稳定性进行了分析研究,提出了稳定性工作的条件。采用电压和电流双闭环反馈控制技术,实现单周期BCM PFC转换器的整流和稳压功能;根据环路稳定性特点,对电压控制环路和电流控制环路进行补偿;基于Simulink建立了单周期PFC转换器的高层次行为模型,仿真和测试结果验证了其正确性和可行性。 基于SinoMos 1.0μm BiCMOS工艺,完成单周期临界导通变频PFC转换器的电路设计。基于双环最优控制模式,采用多矢量误差运放、可编程锯齿波振荡器、过零检测电路实现变频控制,有效减少整个电源系统在轻载与重载时的功率损失,以及导通损耗和噪声;去除复杂的模拟乘法器,简化了传统PFC控制电路的结构。系统采用的关键性技术如下: 1)采用高阶曲率补偿带隙基准电压源。在一阶温度补偿的基础上,利用双极晶体管的电流增益β随温度呈指数变化的特点,对带隙基准进行高阶温度补偿,同时为了防止热振荡现象的影响,加入带热滞回功能的过温保护电路,极大的提高了带隙基准的稳定性; 2)采用多矢量误差运放和可编程锯齿波振荡器,保证系统根据外接负载及时调整PWM开关频率,有效减少整个电源系统在轻载与重载时的功率损失,提高有用功率。仿真和测试结果表明,该PFC转换器能跟随负载变化调整工作频率,在变频模式与间歇模式之间进行转换,满足低压省电模式要求; 3)采用过零电流检测电路实现电流环控制,通过控制开关管的开启时间实现单周期临界工作模式,减小导通损耗和噪声,避免出现较大的电流间隙,提高了功率因数,采用具有350mV滞回电压的迟滞比较器提高系统的抗干扰能力,增加峰值电流检测网络及前沿消隐电路,获得尽可能小的电流畸变; 4)采用周期性自启动定时电路,以及在振荡器与辅助绕组之间加入分流电阻Rz,使系统能够根据输入线电压的变化,及时而准确地调整PWM开关信号的占空比,从而显著降低AC输入线电压过零点附近的交越失真现象。 基于SinoMos 1.0μm BiCMOS工艺,对版图进行了物理实现,并对芯片总体布局布线中需要考虑的问题进行了详细的讨论,包括器件和单元电路的匹配性、关键路径的布线、电源和地线的隔离、串扰噪声和闩锁效应、以及ESD保护等。有效芯片面积为1.61mmm×1.52mm。 基于SinoMos 1.0μm BiCMOS工艺,对整体电路进行了流片验证,测试结果表明:所设计的系统具有较好的功率因数校正功能,启动电流仅为36gA,稳定工作时电流为2.43mA,正常工作时的开关频率为5-6kHz, PF值为0.988,线性调整率小于1%,负载调整率为3%,THD为3.8%,效率为97.3%。所有数据表明,本文提出的单周期临界导通PFC转换器能够满足低压省电模式以及低零交越失真的设计要求,且结构简单,效率较高。该电路能够根据负载情况自动调整PWM开关频率,有效降低系统芯片所需的功耗。
【学位授予单位】:西安电子科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TN402;TN86

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【引证文献】
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【参考文献】
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