采用MC33262PFC控制芯片实现高功率因数校正电路的应用设计

来源：《同济大学学报（自然科学版）》作者：毛明平,吴志红,陶生桂

    开关电源   由于其体积、重量和效率的优势正逐步取代线性电源，在各个领域获得广泛应用。传统的非控整流     开关   电源，由于输入     阻抗   呈容性，网侧输入电压和输入     电流   间存在较大相位差，输入电流呈脉冲状，严重非正弦，谐波分量很高，给电力系统带来了严重     污染   ，一般电网侧功率因数仅为0.65左右。国际电工委员会（IEC）早在20世纪90年代初就制定了有关法规，严格限定设备的功率因数必须接近于1.在当前大力倡导绿色电源的背景下，提高开关电源的功率因数也已经成为国内电源厂商的当务之急。

1、APFC原理和MC33262芯片介绍

APFC技术按照     电感   电流是否连续可分为断续（DCM）和连续（CCM）模式2种。CCM一般基于直流—直流升压（BOOST）变换器，尤其适合于大中功率容量。MC33262功率因数补偿控制芯片电流控制方式是CCM中的峰值电流控制方式。

MC33262芯片内部含有自起动     定时器   、一象限乘法器、误差     放大器   、电流检测     比较器   、零电流检测器、图腾柱驱动输出以及过压、欠压等     保护电路   ，具体内部结构框图见图1所示，图中1～8分别表示芯片引脚号，     Vr   ef为参考电压。

图1MC33262芯片内部结构图

利用一个无感采样     电阻   检测开关管流过电流，将所得电压信号经过一个内置阻容（RC）滤波     电路   送入零电流比较器。该比较器电流基准值由乘法器输出供给。乘法器有2个输入，一个是变换器输出直流电压（经过分压采样）与基准电压之间的误差信号;另一个为全波整流后输出电压经过电阻分压后的值。因此电流基准为双半波正弦电压，令电感电流的峰值包络线跟踪该输入电压的波形，使输入电流与输入电压同相位，并接近正弦。该闭环系统在保持输入端功率因数接近1的同时，也能保证输出电压的稳定。

当输出电压上升时，误差放大器输出电压下降，使乘法器输出的基值电流值下降，开关管的导通时间缩短，流过电感的电流下降，从而使输出电压下降。反之，使输出电压上升，以达到稳定输出电压的目的。由于乘法器输入取样来自全桥整流的输出，所以乘法器的输出和全桥整流输出电压波形的相位相同，从而使电感电流的平均值和整流输出电压同相，达到功率因数补偿之目的。MC33262片内还带有     RS   门锁电路，它同时受电流检测比较器、零电流检测比较器和过电压比较器3个输出的控制，并可以确保在同一时刻芯片的脉冲宽度调制（PWM）信号输出只有一种状态的驱动信号出现。MC33262片内还带有欠电压封锁电路，当输入电源电压降低至内置8V参考电压时，封锁PWM脉冲输出。MC33262片内还带有过电压比较器，能在输出端一旦出现过电压时禁止芯片产生驱动输出。

从控制角度上讲，该APFC电路同时引入了电压和电流反馈构成一个双环控制系统，外环实现输出电压稳定，内环实现输入电流整形使之成为与电压同相位的标准正弦波。

图2所示为采用MC33262     PFC   控制芯片构成的有源功率因数校正电路原理性框图。场效应     晶体管   （     MOSFET   ）的导通受控于MC33262芯片内的零电流检测器，当零电流检测器中的电流降为零时，MOSFET导通，此时电感开始储能，电流增加。这种零电流导通控制的突出优点有：

图2有源功率因数校正电路原理框图

（1）由于MOSFET开始导通时刻，储能电感中电流为零，这样MOSFET开关的应力和损耗大大减小，同时降低了对后级整流     二极管   快恢复性的要求，因此选用普通的快恢复二极管即可满足设计要求;另一方面免除了由于二极管恢复时间过长引起的开关管损耗，也就大大增加了开关管的可靠性。

（2）由于开关管的驱动脉冲间无死区，所以输入电流是连续的并呈正弦波，这样大大提高了系统的功率因数。

2、基于MC33262的APFC电路结构

2.1输入端保护及滤波电路分析

为避免交流输入端外界产生的电压尖峰对电源造成不利影响，采用金属氧化物     压敏电阻   并接在交流输入端对瞬态电压进行抑制。同时采用负温度系数的热敏电阻（NTC）串联在交流输入端，用以增加对交流线路的阻抗，把浪涌电流减小至安全值。高频开关电源产生的电磁干扰（EMI）主要以传导干扰和近场干扰为主。共模干扰和差模干扰是传导干扰的2种基本模态，EMI     滤波器   是目前使用广泛，也是有效的开关电源传导干扰抑制方法之一。EMI滤波器不但要抑制差模干扰，也必须抑制共模干扰，它的基本电路可以参照图3.

交流输入电路与电感L和     电容   C组成的低通滤波网络相连，以抑制电网上来的电磁干扰，同时还对本身产生的电磁干扰有抑制作用，以保证电网不受污染。图3中L1为差模扼流线圈，L2为共模扼流线圈，把串联电感L1分成2部分串入相线和中线可尽量保证2线的阻抗平衡，防止由于阻抗不平衡引起新的干扰。     共模扼流圈   由2个线圈对称绕制而成，其特点是对网侧工频电流呈现较低阻抗，但对流经的高频共模干扰而言，等效阻抗却很高。

EMI滤波电路中的     电感器   件串入电路中对工作状态不加干涉，而对差模和共模干扰起到抑制作用，它的结构是在1只     磁芯   上绕制2个相同绕组的线圈，工作时将这2个线圈分别串接在电源上，当工作电流接通时，磁芯中的磁动势相互抵消，因而磁芯材料不受任何影响，不必担心其磁饱和。在这次研制过程中，采用频率特性好，导磁率高的铁氧体材料。在该研制过程中，采用电感和电容组成π型滤波器，使得输出电压更加平滑，交流分量更少，考虑到电感器件中经常有较大的直流电流成分，因而电感器件的铁芯采用具有高饱和磁通密度的铁粉芯材料制成。

2.2电路结构及工作原理

基于MC33262PFC控制芯片的AC/DC变换器电路结构如图3所示。图中BD1为     整流桥   ，CY为干扰滤波电容，TR为热敏元件，ZD1为稳压管，EC为电解电容，VR为压敏元件，FUSE为     保险丝   ，1～8分别表示芯片引脚号。

图3所示APFC电路主要由控制器IC芯片MC33262、MOSFET功率管Q1、升压电感器L4、升压二极管D2、输出滤波电容EC2及反馈环路组成.APFC变换器的工作原理基于升压电感L4的电流与电压之间的物理关系。在Q1导通时，升压二极管D2截止，滤波电容EC1通过负载放电。当Q1由导通跃变为关断时，L4产生的突变电势使D2正向偏置导通，L4中的储能经D2释放，对EC2充电。由于Q1和D2交替导通，使整流桥输出电流经L4连续流动。这就意味着整流二极管在交流电源的半个周期内，导通角趋于180°。该电路采用双环反馈控制方案。内环反馈的作用是将全波整流输出直流脉动电压通过R003和R004组成的电阻分压器取样输入到MC33262第3脚，以保证通过L4的电流时刻跟踪输入电压按正弦规律变化的轨迹。通过L4的三角形高频电流的峰值包络线正比于输入交流电压，其平均电流则呈正弦波形，这就意味着电源输入电流也呈正弦波。外环用作APFC变换器输出直流电压的反馈控制。直流输出电压通过R005和R009组成的电阻分压器取样输入到MC33262的第1脚，MC33262输出PWM驱动信号调节MOSFET功率管的占空比，以使输出电压稳定。

图3APFC实验电路结构图

交流输入电压经桥式整流，输出100Hz的正弦半波直流脉动电压，能够比较真实反映交流（AC）输入电压波形的全波整流电压，经过电阻分压器分压、小电容C004滤除高频噪声输入到芯片内部的乘法器。滤波电容EC2两端直流电压通过R005和R009分压输入到芯片内部误差放大器的反相端，并与误差放大器同相端精密参考电压Vref比较，产生一个直流（DC）误差电压，作为一象限乘法器的另一路输入。当AC输入电压从零按正弦规律变化到峰值时，乘法器的输出控制电流传感比较器的门限，迫使通过MOSFET功率管Q1的峰值电流跟踪AC输入电压的变化轨迹。流过MOSFET功率管Q1的电流在电阻R010上转换为电压信号，输入到芯片第4脚，经过芯片内置阻容（RC）低通滤波器，输入到MC33262芯片内电流检测比较器的正向输入端。电感L4电流的波形呈高频锯齿三角波，在电流值从零增长到峰值的过程中，Q1是导通的。乘法器的输出则是电感峰值电流的参考电压，只要在R011上的传感电压超过电流检测比较器的门限电压，片内逻辑电路动作，输出MOSFET功率管关断信号。升压电感L4的副边绕组Ns将感应电压经D1整流EC1滤波，作为MC33262芯片启动后的辅助电源;Ns还用做L4的高灵敏度的     电流传感器   。Ns将流过L4的电流检测后，经限流电阻R007输入到片内零电流检测器，只要电感电流一降至芯片所设置的“零”电平，零电流检测器则通过置位门锁驱动MOSFET导通。

升压电感器L4选用铁氧体材料铁芯和李氏漆包线绕制，原副边线圈匝数比为60/6.原边Np绕组的电感为580μH，副边Ns是辅助电源及零电流检测绕组。

3、实验结果

实验结果显示该AC/DC变换器在较宽广的输入电压范围下获得高度稳定的直流电压400V输出，纹波峰峰值在8V以下，输出额定功率达150W，满载下效率η=95%，功率因数λ≥0.99，输入电流总谐波畸变D《6%.图4和图5所示记录了芯片3脚的采样输入电压、交流输入电流波形。图6所示为MOSFET上源极电阻上的采样电压波形，它反映了流经MOSFET上的电流波形，即电感储能阶段电感电流波形。可看出由于MOSFET开关频率很高（将近70kHz），在开关关断过程中源极电阻上有较强的干扰电流流过，     示波器   记录波形上出现不少尖峰毛刺。MC33262芯片内已预先设置了RC滤波器对该信号做滤波处理，不过一般可在4脚与源极电阻间考虑再增添一外部RC滤波电路，增强抗干扰效果。

图4芯片3脚电压采样输入波形

图5输入电流电阻采样波形

图6MOSFET上导通电流电阻采样波形

4、结语

由MC33262构成的功率因数校正电路外围结构简单，电路     元器件   少，电路的体积和成本下降，提高了系统的可靠性。目前这种APFC技术已经在开关电源、电子镇流器等诸多领域得到了应用。该APFC电路采用峰值电流控制方式，属于准连续电流模式，MOSFET开关频率很高，这对EMI滤波电路的设计有较高的要求。不过该系列芯片与其他采用连续模式的APFC芯片相比有着较高的性价比，值得作进一步完善研究。

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