降压式PFC电路的设计与实现
降压式PFC电路的设计与实现
最后以实际的测试效果，展示降压式PFC的效果，充分说明降压式PFC电路可以有效改善用电效率，提高电网质量。在总结与展望章节对降压式PFC未来的广泛应用进行描述说明降压式PFC电路具有良好的应用前景。
关键词：功率因素校正，开关电源，控制器，变压器，反馈
3.1 降压式PFC总体技术方案 HM000094
在了解多种降压式PFC结构的工作原理和优缺点之后，必须确定一种方案以实现最终的功能，总体技术方案是设计与实现环节的起步，本节将针对设计的要求给出具体的变换结构和系统整体框图。
3.1.1设计要求及实现结构
开关电源是对性能非常苛刻的电路，尤其是使用在设备前端的PFC电路，所以在设计与实现环节中，首先要列出设计要求：
(1)输入：要求输入电压可以在175V~265V之间波动而不影响输出功率；
(2)输出：48V，功率为120 W，电压带载后稳定输出，电压调整率小于5%；
(3)功率因素：大于90%；
(4)芯片等低压器件采用辅助电源单独供电。
从要求的输出功率为120W看出对大功率才适用的推挽结构并不合适，同时非隔离结构的弊病让Buck结构不能胜任降压式PFC电路，只剩下正激变换结构和反激变换结构。正激变换结构的变压器设计更为复杂通常应用于大于200W的场合，且变压器设计困难，参数复杂，多数情况下不能良好将漏感能量释放，只能通过续流二极管串接电阻释放，这将造成大量损耗。而反激变换结构功率小结构简单，变压器设计相对简单，且考虑到正激变换结构应用远不如反激变换广泛，这样造成调试和查阅相关资料时的难度[19-20]。针对负载是48V输入的LED驱动器对待电压调整率要求不高，并且需求输入功率不大，最总确定选择反激变换结构更为合适。
3.1.2 降压式PFC整体功能实现
本文设计的降压式反激变换PFC原理框图如图3.1所示，由电磁干扰滤波器、开关控制器、变压器和反馈回路四模块组成。交流电压175VAC-265VAC经过EMI抑制电路后形成滤除杂波50Hz电压，将电压经由PFC反激变换器转换成48V直流电压，控制过程由开关控制单元完成，输出电压后经电阻分压通过光耦形成回路调整开关控制单元。各功能模块基本描述如下：
(1)EMI抑制电路模块
该模块的作用是抑制开关电源产生的电磁干扰。EMI信号既具有很宽的频率范围，又有一定幅度，经过传导和辐射之后会对电磁环境造成污染，对通信设备和电子产品造成干扰。如果处理不当，开关电源本身就会变成一个骚扰源。目前电子产品的电磁兼容日益受到重视，抑制开关电源EMI、提高电子产品质量，使其符合EMC标准，已成为设计者越来越关注的问题[21]。在设计环节中将针对如何抑制EMI的问题以及如何通过EMI抑制电路控制传导干扰，提出具体的解决措施和具体电路原理。
(2)开关控制器单元
开关控制器掌握着电路的工作状态，是电路的控制中心，开关控制器的类型有很多而且选定芯片时要考虑输入电压、频率、功耗、驱动电压、成本等多方面的因素，在设计环节应充分关注芯片引脚的内部电路，了解芯片每一个引脚的用法。而开关管的选型一定要根据实际应用来选定，且必须留有一定的余量。好的开关管不在系统中大大降低损耗提供整体电路的效率，让用电效率更高。
(3)变压器模块
变压器是实现电路能量转换的器件，变压器不但可以将高压转换成低压还可以将低压转换成高压，变压器的设计直接影响到电路的性能，开关电源的功率与变压器的参数密切相关，而且变压的参数计算复杂需要综合多种情况。变压器的能量在耦合过程中多数情况无法将能量全部耦合至次级，会产生漏感现象，这时需要搭配钳位二极管、RC衰减网络等辅助电路以释放漏感能量。
(4)反馈回路模块
反馈回路在采用光耦隔离的前提下将输出电压的信号传递至PFC控制器的反馈端让控制器知道当前输出状态。反馈回路通过采集输出端的电压信号将其通过光耦的传送至饭PFC控制，控制器在得知状态发生改变后会及时调整占空比确保正常输出，同时起到稳压的作用。
3.2 EMI抑制的方法与实现
由于AC-DC开关电源应用于交流电网的场合，整流电路往往导致输入电流的断续，这除了降低输入功率因数外，还增加了大量高次谐波。同时，开关电源中功率开关管的高速开关动作以及变压器线圈形成的强磁场产生了EMI骚扰源。从许多开关电源文献可知，在开关电源中主要存在的干扰形式是传导干扰和近场辐射干扰，传导干扰还会注入电网，干扰接入电网的其他设备。这将导致一系列的电网污染，降低用电质量。EMI抑制电路正是为解决传导干扰带来的高频谐波分量，而合理的PCB设计方法及有效的抑制措施可以有效降低辐射干扰，从而整体降低EMI实现电磁兼容。
3.2.1 EMI抑制措施
摘 要 I
Abstract II
第一章 绪论 1
1.1课题背景 1
1.2研究现状 3
1.3本章小结 6
第二章 降压式PFC关键技术 7
2.1开关电源技术 7
2.3 降压式PFC技术 9
2.4本章小结 14
第三章 降压式PFC电路的设计与实现 15
3.1 降压式PFC总体技术方案 15
3.1.1设计要求及实现结构 15
3.1.2 降压式PFC整体功能实现 16
3.2 EMI抑制的方法与实现 17
3.2.1 EMI抑制措施 17
3.2.2 EMI抑制电路的实现 19
3.3 开关控制器单元 20
3.3.1 开关控制器及开关管的选定 21
3.3.2 开关控制器单元的实现 25
3.4 变压器的设计与计算 27
3.4.1 变压器磁芯的选择 27
3.4.2 变压器的参数计算 28
3.5电压与电流反馈回路的设计与实现 33
3.5.1光耦隔离式电压反馈实现 33
3.5.2电流反馈的工作原理 34
3.6 本章小结 35
第四章 系统集成调试 36
4.1系统整体电路 36
4.2系统测试效果与分析 37
4.3本章小结 38
第五章 总结与展望 40
5.1本文总结 40
5.2技术展望 40
参考文献 41
致 谢 43
附录 44
附录一 设计成果与测试设备 44
附录二 攻读学士学位期间主要工作与成果 46
最后以实际的测试效果，展示降压式PFC的效果，充分说明降压式PFC电路可以有效改善用电效率，提高电网质量。在总结与展望章节对降压式PFC未来的广泛应用进行描述说明降压式PFC电路具有良好的应用前景。
关键词：功率因素校正，开关电源，控制器，变压器，反馈
3.1 降压式PFC总体技术方案 HM000094
在了解多种降压式PFC结构的工作原理和优缺点之后，必须确定一种方案以实现最终的功能，总体技术方案是设计与实现环节的起步，本节将针对设计的要求给出具体的变换结构和系统整体框图。
3.1.1设计要求及实现结构
开关电源是对性能非常苛刻的电路，尤其是使用在设备前端的PFC电路，所以在设计与实现环节中，首先要列出设计要求：
(1)输入：要求输入电压可以在175V~265V之间波动而不影响输出功率；
(2)输出：48V，功率为120 W，电压带载后稳定输出，电压调整率小于5%；
(3)功率因素：大于90%；
(4)芯片等低压器件采用辅助电源单独供电。
从要求的输出功率为120W看出对大功率才适用的推挽结构并不合适，同时非隔离结构的弊病让Buck结构不能胜任降压式PFC电路，只剩下正激变换结构和反激变换结构。正激变换结构的变压器设计更为复杂通常应用于大于200W的场合，且变压器设计困难，参数复杂，多数情况下不能良好将漏感能量释放，只能通过续流二极管串接电阻释放，这将造成大量损耗。而反激变换结构功率小结构简单，变压器设计相对简单，且考虑到正激变换结构应用远不如反激变换广泛，这样造成调试和查阅相关资料时的难度[19-20]。针对负载是48V输入的LED驱动器对待电压调整率要求不高，并且需求输入功率不大，最总确定选择反激变换结构更为合适。
3.1.2 降压式PFC整体功能实现
本文设计的降压式反激变换PFC原理框图如图3.1所示，由电磁干扰滤波器、开关控制器、变压器和反馈回路四模块组成。交流电压175VAC-265VAC经过EMI抑制电路后形成滤除杂波50Hz电压，将电压经由PFC反激变换器转换成48V直流电压，控制过程由开关控制单元完成，输出电压后经电阻分压通过光耦形成回路调整开关控制单元。各功能模块基本描述如下：(1)EMI抑制电路模块
该模块的作用是抑制开关电源产生的电磁干扰。EMI信号既具有很宽的频率范围，又有一定幅度，经过传导和辐射之后会对电磁环境造成污染，对通信设备和电子产品造成干扰。如果处理不当，开关电源本身就会变成一个骚扰源。目前电子产品的电磁兼容日益受到重视，抑制开关电源EMI、提高电子产品质量，使其符合EMC标准，已成为设计者越来越关注的问题[21]。在设计环节中将针对如何抑制EMI的问题以及如何通过EMI抑制电路控制传导干扰，提出具体的解决措施和具体电路原理。
(2)开关控制器单元
开关控制器掌握着电路的工作状态，是电路的控制中心，开关控制器的类型有很多而且选定芯片时要考虑输入电压、频率、功耗、驱动电压、成本等多方面的因素，在设计环节应充分关注芯片引脚的内部电路，了解芯片每一个引脚的用法。而开关管的选型一定要根据实际应用来选定，且必须留有一定的余量。好的开关管不在系统中大大降低损耗提供整体电路的效率，让用电效率更高。
(3)变压器模块
变压器是实现电路能量转换的器件，变压器不但可以将高压转换成低压还可以将低压转换成高压，变压器的设计直接影响到电路的性能，开关电源的功率与变压器的参数密切相关，而且变压的参数计算复杂需要综合多种情况。变压器的能量在耦合过程中多数情况无法将能量全部耦合至次级，会产生漏感现象，这时需要搭配钳位二极管、RC衰减网络等辅助电路以释放漏感能量。
(4)反馈回路模块
反馈回路在采用光耦隔离的前提下将输出电压的信号传递至PFC控制器的反馈端让控制器知道当前输出状态。反馈回路通过采集输出端的电压信号将其通过光耦的传送至饭PFC控制，控制器在得知状态发生改变后会及时调整占空比确保正常输出，同时起到稳压的作用。
3.2 EMI抑制的方法与实现
由于AC-DC开关电源应用于交流电网的场合，整流电路往往导致输入电流的断续，这除了降低输入功率因数外，还增加了大量高次谐波。同时，开关电源中功率开关管的高速开关动作以及变压器线圈形成的强磁场产生了EMI骚扰源。从许多开关电源文献可知，在开关电源中主要存在的干扰形式是传导干扰和近场辐射干扰，传导干扰还会注入电网，干扰接入电网的其他设备。这将导致一系列的电网污染，降低用电质量。EMI抑制电路正是为解决传导干扰带来的高频谐波分量，而合理的PCB设计方法及有效的抑制措施可以有效降低辐射干扰，从而整体降低EMI实现电磁兼容。
3.2.1 EMI抑制措施
摘 要 I
Abstract II
第一章 绪论 1
1.1课题背景 1
1.2研究现状 3
1.3本章小结 6
第二章 降压式PFC关键技术 7
2.1开关电源技术 7
2.3 降压式PFC技术 9
2.4本章小结 14
第三章 降压式PFC电路的设计与实现 15
3.1 降压式PFC总体技术方案 15
3.1.1设计要求及实现结构 15
3.1.2 降压式PFC整体功能实现 16
3.2 EMI抑制的方法与实现 17
3.2.1 EMI抑制措施 17
3.2.2 EMI抑制电路的实现 19
3.3 开关控制器单元 20
3.3.1 开关控制器及开关管的选定 21
3.3.2 开关控制器单元的实现 25
3.4 变压器的设计与计算 27
3.4.1 变压器磁芯的选择 27
3.4.2 变压器的参数计算 28
3.5电压与电流反馈回路的设计与实现 33
3.5.1光耦隔离式电压反馈实现 33
3.5.2电流反馈的工作原理 34
3.6 本章小结 35
第四章 系统集成调试 36
4.1系统整体电路 36
4.2系统测试效果与分析 37
4.3本章小结 38
第五章 总结与展望 40
5.1本文总结 40
5.2技术展望 40
参考文献 41
致 谢 43
附录 44
附录一 设计成果与测试设备 44
附录二 攻读学士学位期间主要工作与成果 46
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