有源功率因数校正电路中电压、电流放大器补偿网络元件之计算（下）

有源功率因数校正电路中电压、电流放大器补偿网络元件之计算（下） 有源功率因数校正电路中电压、电流放大器 补偿网络元件之计算(下) 14 中国照明电器 CHINALIGHT&LIGHTING2010年第8期 有源功率因数校正电路中电压,电流放大器 补偿网络元件之计算(下) 陈传虞 MethodofEstimatingCompensationNetworksofVoltageandCurrent AmplifierUsedinActivePowerFactorCorrectionRegulator(?,) ChenChuanyu (续上期) 8连续导通模式PFC控制器中电流放大器补偿网 络的分析 电流放大器只在连续导通模式PFC控制器中使 用,它的补偿网络也采用图1所示的形式.但各公司 的PFCIC的产品中,关于补偿网络元件的计算 ,普遍缺乏对公式的详细,也没有给出前提 条件,同一个元件的计算公式往往不尽相同,电路图 中所给出的元件具体参数差异较大,彼此之间相差可 达十多倍,无法使人确信哪个公式或参数更正确.因 此建议读者在使用这些资料时,要通过自己的实验来 作出正确与否的判断. 下面根据本人对一些技术资料的初步理解,对电 流放大器补偿网络元件的计算方法进行推导,或许能 对读者有所帮助. 一 般连续导通模式的PFC控制器中有2个控制 环路(Controlloop)——电流控制环路和电压控制环 路.电压控制环路中电压放大器补偿网络的计算前 面已经讨论过,下面讨论电流控制环路中电流误差放 大器的补偿网络的计算方法.电流控制环路的简化 电路如图11所示,它是根据固定频率,连续导通模式 PFC控制器FAN4810的方框图简化而来的.图中R 为电流电阻,R:0.05Q,R上的电压与增益调 制器的输出电流在内部电阻R上的电压之差加到 跨导型电流放大器的反相端,电流放大器的同相端为 虚地,放大器的输出加到PWM比较器的同相端, 它与反相端的锯齿电压相比较,以控制PFC输 出的脉冲宽度的大小.例如,如果输出电压减小, 则电流误差放大器的输出增加,提高输出脉冲的 占空系数D,加大脉冲宽度,从而使输出电压增加. 图ll中左侧用1个方框示的PWM部分实际是很 复杂的,在方框中除PWM比较器外还包括RS触发 器,输出MOS管驱动器等,均未表示出来.另外,图 中阴影部分的压控电压源包括输入电压,二极管整流 器,MOS管,升压二极管等. 一… 图l1简化的电流控制环路图 对图11分析的目的是建立3个公式,以便用它 们来选择补偿网络3个元件R,C.,C的参数. 我们的方法是:设法确定由检测电流的输出 到电流放大器的输出的传输函数,以及由电流放 大器的输出经PWM,升压部分(Boost)到(R 上电压)的电压传输函数G,根据所希望得到的传 输特性来选择补偿元件的参数. 我们先分析后一个传输特性G,它包括了PWM 陈传虞:有源功率因数校正电路中电压,电流放大器补偿网络元件之计算(下)15 及升压部分的开环增益.已知占空系数D:V/ ,升压电感的电压V=D×V.,流过电感的电流 ,:V/(wL)=D×V./(),则电阻R(R)上的电 压可表示为 Vs=,L×Rs=D×Vo×Rs/(wL) =VcA×Vo×Rs/(AMP×) 由此可见,由到R上电压的传输函数 G=(20) 不难看出,这是电感L,电阻R产生的单极点函数, 画在图l2中左下方,旁边标有G.它是1条以 一 20dB/10倍频为斜率的直线,频率每增加l0倍,增 益将减少20dB. 图12电流控制环路的传输函数波德图 对于由检测电流的输出到电流放大器的输出 :的传输函数的分析,在前面已经作了详细的讨论, 这里不再重复,直接给出结果,并画在图12中右上 方,旁边标以G.它的零点频率,7和极点频率厂P与 电流放大器输出所接RC网络(图11中为R,c., c,)的参数之间的关系为 : (21)/z) , \一 1,", 一 21T×C,×R,. 选定零点和极点就可以确定其中2个元件参数. 另一个条件可按以下方式推导出来.大家知道, 闭环电路的总传输函数由G,G两者相加而成,并 画在图12的中央部分.此折线在频率处与横轴 相交,表示电流放大器的传输函数(G=Vc/V)与 PWM及升压部分的传输函数(G=Vs/Vc)互为倒 数,以分贝表示的增益大小相等而符号相反,相互抵 消,分贝数为0,即增益为1.频率:称为分隔频率 或交越频率,超过后,以分贝数表示的增益将变符 号,增益由大于1变为小于1了. 因为传输函数G.的表达式(20)是已知的,选定 后便可求得在f=处的G值,并由它决定另一 个元件参数.当f=时,代人式(20)得 Gr,B= 例如,在IC芯片FAN4810的应用电路中,已知 Vo=400V,锯齿电压VR=2.5V,电感L=400~H, R=0.0512,如选定分隔频率为=/10=10kHz,代 入式(22)可得 GPB=400×0.05/(2.5×6.28×10× 10×400×10):0.318 在分隔频率下电流放大器的传输函数G应 与G互为倒数,即其分贝数大小相等而符号相反, 则可得 GcA=1/GPB=1/0.318=3.1 考虑到电流放大器为跨导型,其传输函数又可表 示为 GcA=g×Zf(23) 式中,g为电流放大器的跨导,对FAN4810,g= 0.1mS;Z为放大器输出端所接的补偿网络(由R, C,c:构成)阻抗,在分隔频率下z尺,所以 GcA=g×Zf:3.1 由此得补偿网络中电阻R的值, Rl=3.1/0.1=31(k12) 以上分析说明,选定分隔频率后便可给出选 定1个参数的公式. 综上所述,补偿元件参数的选择实际上归结为频 率的选择. 一 般来说,在连续导通模式的PFC中,电流放大 器的通频带较宽,因为电流信号含有快速变化的成 分;而电压放大器则不同,其通频带较窄.但在上述 大原则下,各个公司给出的资料中对上述3个特征频 率的选择并不完全一样.如仙童公司在FAN4810资 料中建议选择分隔频率为Ic开关频率的1/10, 即lO0kHz/10=lOkHz,零点频率为0.2L,即 2kHz,极点频率为1畈或100kHz;而德州仪器等 公司在UCC1817资料中建议选择零点频率为 0.1L,极点频率厂P为0..由于零,极点频率不同, l6中国照明电器2010年第8期 补偿网络的元件参数也就不同. 按FAN4810的资料选择零点频率fz=2kHz,可 确定补偿网络中C.值, fz=1/(21T×CI×R1)=2kHz 代入R,值,可得C,=2.57nF. 如选择极点频率=100kHz,可确定补偿网络中 C,值, -/=1/(2-rr×C2×R1)=100kHz 代入JR.值,可得C:=51.4pF. 9结束语 笔者曾对不少公司资料上的应用电路中提供的 元件参数进行过验算,结果发现:电流补偿网络的阻 容元件的极点频率差不多都等于开关频率,也有部 分采用0.;而零点频率则为0.1A或0..所用 的电阻R.范围为10,25kQ之间,有的差别还比较 大.建议在实际工作中对元件的调整要根据实验的 结果来作取舍,不必完全拘泥于现有的技术资料. [2] [3] 参考文献 陈传虞,陈家桢.绿色照明——新型集成电路工作原理与应用 [M].北京:人民邮电出版社,201O. 张肃文.低频电子线路[M].北京:高等教育出版社,1987. 陈传虞.电子节能灯与电子镇流器的设计和制造[M].北京: 人民邮电出版社,2009. (上接第l3页) [2] [3] v/m 2250 1500 750 O - 750 1500 2250 52503500 参考文献 17500—1750—3500—5250 X/m 图9近光配光效果 AySu,Y.C.Liu,C.Y.Chen.ThermaldiffusionanalysisforLED module[J].HeatTransfer—AsianResearch,2007,36(8):449— 458. KarstenEichhorn.LEDsinAutomotiveLighting[C].Proc.of SPIE,2006,6134(05):1—6. Wordenweber,Wallaschek,Boyce,etalAutomotiveLightingand HumanVision.SpringerBeilinHeidelbergNewYork,2007. [4] [5] [6] [7] 1.0l6E一4 9.760E一5 9.361E一5 8.963E一5 8.565E一5 8.166E一5 7.768E一5 7.370E-5 6.971E一5 6.573E一5 6.175E5 5.776E一5 5.378E一5 4.979E一5 4.581E一5 4.183E一5 3.784E-5 3.386E-5 2.988E一5 2.589E-5 2.191E-5 1.796E-5 1.394E-5 9.959E-6 5.975E-6 1.992E-6 KarstenEichhorn.LEDFrontlighting[C].Proc.ofSPIE,2005, 5663:7—14. Andr6Domhardta,UdoRohlflngb,SimonWeingaertnera.New DesignToolsforLEDHeadlamps[A].OpticalSensors2008[C]. Proc.ofSPIE,2008Vo1.7003,70032C,1—10. 周军,张继勇,周莉,等.FFR汽车前照灯的光学设计[J].照明 工程,1999,10(2):45—50. 鲍卫宁,黄卫平.非均匀有理B样条理论在自由曲面造型中的 应用[J].江汉大学(自然科学版),2005,33(1):74—76.