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UCC28019-BOOST-PFC开关电源设计.pdf

发布时间：2022-06-14 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：3.01M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    目 录 1 方案选型 .......................................................................................................................................... - 1 - 1.1 课程任务 ................................................................................................................................ - 1 - 1.2 方案对比与选型 .................................................................................................................... - 1 - 2 仿真设计 .......................................................................................................................................... - 3 - 2.1 电路设计 ................................................................................................................................ - 3 - 2.1.1 原理图设计 ............................................................................................................... - 3 - 2.1.2 PCB 设计 ................................................................................................................... - 4 - 2.2 元器件选型 ............................................................................................................................ - 5 - 2.2.1 保险管 ....................................................................................................................... - 5 - 2.2.2 NTC 热敏电阻 .......................................................................................................... - 6 - 2.2.3 压敏电阻 ................................................................................................................... - 7 - 2.2.4 EMI 滤波电路 ........................................................................................................... - 7 - 2.2.5 整流桥和输入滤波电容 ........................................................................................... - 8 - 2.2.6 升压电感和整流管 ................................................................................................... - 9 - 2.2.7 功率开关管 ............................................................................................................. - 10 - 2.2.8 输出电容和采样电阻 ............................................................................................. - 11 - 2.2.9 PFC 控制芯片 ......................................................................................................... - 12 - 2.3 成本分析 .............................................................................................................................. - 12 - 2.4 损耗计算 .............................................................................................................................. - 13 - 2.4.1 二极管损耗计算 ....................................................................................................... - 13 - 2.4.2 MOSFET 损耗计算 ...................................................................................................... - 14 - 2.4.3 其他损耗计算 ........................................................................................................... - 15 - 2.5 仿真验证 .............................................................................................................................. - 16 - 3 实物测试 ........................................................................................................................................ - 20 - 3.1 静态测试 .............................................................................................................................. - 20 - 3.1.1 稳态电压精度 ........................................................................................................... - 21 - 3.1.2 纹波电压 ................................................................................................................... - 21 - 3.1.3 效率 ........................................................................................................................... - 22 - 3.1.4 线性调整率 ............................................................................................................... - 22 - 3.1.5 输入电流 THD .......................................................................................................... - 22 - 3.1.6 功率因数 PF .............................................................................................................. - 26 - 3.2 动态测试 ............................................................................................................................... - 29 - 3.2.1 启动 ........................................................................................................................... - 29 - 3.2.2 负荷投切 ................................................................................................................... - 31 - 4 课程总结 ........................................................................................................................................ - 32 - 4.1 课程小结 .............................................................................................................................. - 32 - 4.2 课程心得 .............................................................................................................................. - 32 - 4.3 课程建议 .............................................................................................................................. - 33 - 参考文献 ............................................................................................................................................ - 34 - I
    1 方案选型 1.1 课程任务 基于面包板，设计并制作完成一个功率因数校正器，满足以下指标： 1、 额定参数：输入交流 220VAC，输出直流 380VDC，0.9A，350W； 2、 输入电压范围：85～265VAC； 3、 输出电压纹波：<10%； 4、 稳态电压精度：<5%； 5、 线性调整率：<5%； 6、 负载调整率：<5%； 7、 效率：≥80%； 8、 输入电流 THD：<10%； 9、 功率因数：>0.95； 10、 输出过压、欠压保护：420V、360V。 课程选择发挥部分：完成 PCB 电路板设计制作、实现软开关等。 除以上基本技术性指标之外，设计制作过程中还应该考虑：安全可靠性（安规措 施、电磁兼容等）、经济性（成本）、轻便性（体积、重量等）、显示性（指示灯、 液晶等）、美观性（布线、焊接等）等。 1.2 方案对比与选型 (a) 传统 Boost PFC (b) 图腾柱 PFC udcRigugCLDSD1D2D3D4udcRigugCLS1S2D2D1
    （c）采用滤波电感的无源功率因数校正拓扑 图 1-1 设计的开关电源电路 如图 1-1（c）所示，采用滤波电感的无源 PFC 电路结构简单，平均无故障时间 长，无需设计控制环路（或选用控制芯片），工作量小，成本较低，而且能很大程度 抑制 3 次以上的几次谐波。但其带非额定负载能力差，电感易饱和，在应用中容易发 热，也会产生频率比较低的噪声，器件占用面积大，器件本身也较重，缺点过于明显。 另外，由于经济原因和对环境的关注，电力转换系统效率变得越来越重要。80 Plus 中定义的效率级别需要达到 96%才能获得钛金等级认证。要实现如此之高的效率，使 用传统拓扑的电源公司将面临巨大的设计挑战。如图 1-1（b）所示的图腾柱 PFC 结 构，与传统的 PFC 相比，电力传导路径只包含一个二极管，大大降低了二极管损耗， 此外，碳化硅 (SiC) 二极管被 MOSFET 所取代，以实现同步整流。电力传导损耗也 因此降低。但由于图腾柱 PFC 拓扑中有一个固有问题：输入电流在 AC 零交叉上有 一个巨大尖峰。这些尖峰破坏了电流波形，并且使总谐波失真 (THD) 无法达到技术 规格的要求，故我们也不得不舍弃使用图腾柱 PFC 拓扑。 图 1-1（a）中的传统 BOOST PFC，技术较为成熟,相关指导资料较为完善，考虑 到课程设计关于输出电压（380VDC）和功率（350W）的要求，我们最终选择使用传 统 BOOST 拓扑并选用 UCC28019 作为控制芯片。
    2 仿真设计 2.1 电路设计 2.1.1 原理图设计 选定主控芯片 UCC28019 和元器件选型，进行原理图设计。总体设计有前级滤波 整流电路，目的是减少输入电压的共模以及差模干扰，经过整流桥 GBU808，变为馒 头正弦波；后级为 BOOST 升压 PFC 主电路，主电路由输入滤波电容 C1、输出滤波 电容 C4、功电感 L1、整流管 D2 以及功率开关管 Q1 组成，这些元件组成了经典的 BOOST 升压电路拓扑；剩下部分为 UCC28019 PFC 控制电路。控制芯片部分主要有 输入电压检测设计、输出电压反馈设计、电流采样电路设计以及补偿电路设计。下面 着重讲解一下输入电压采样和输出电压采样电路的设计如何实现。 图 2-1 基于 UCC28019 的升压 PFC 原理图 输入电压采样：输入电压采样即为 Vins 脚电压输入。Vins 引脚工作原理为电压 高于 1.6V，控制芯片启动过压保护，自动关断门极输出。当输出电压检测 Vsense 满 足电压要求，电路启动工作；Vins 低于 0.8V，控制芯片启动低压保护，自动关断门极 输出。考虑到采样电路损失功率小以及采样电阻的精确度，采样电阻应该使用 MΩ 级 别电阻但 不超 过 10MΩ。本 设计设 定采样 电阻电流 为 ，启动电压为 ，计算回路电阻为： (2.1) 实际中选取 Rvins1=6.5MΩ。 15vinsIA=()75aconVV=()__(max)122750.951.66.915aconfbrigeenablethvinsvinsVVVINSVVVRMIA−−−−===
    (2.2) 考虑电阻耐压和阻值的精确度，采用 R1、R2、R3、R7 串联得到 6.5MΩ。 输出电压采样：同样考虑到低功耗，所以 Rfb1=1MΩ，考虑到每个电阻最大压降， 实际中采用 R4、R5、R9 串联组成。输出固定电压原理为稳定输出时，Vsense 引脚采 样电压与片内 5V 基准源动态相等，所以可以根据输出采样分压比得到想要输出电压， 当输出电压为 380V 时，计算反馈电阻 Rfb2： 当 Vsense 超过 5.25V 或者低于 4.75V 时，芯片会启动保护，可以计算输出过压 (2.3) 保护电压： 输出欠压保护电压： 2.1.2 PCB 设计 (2.4) (2.5) 在原理图设计好以后，接着就是 PCB 设计，本设计的 PCB 正面和背面如下如图 所示。一块好的 PCB 布线能够将外界干扰降到最小，电路损耗尽可能减小，电路尽 量美观，电路结构层次一目了然。为达到这些目标，本次设计采用以下几个方面措施： (a)正面 (b)反面 图 2-2 PCB 布局 （1）交流输入、BOOST 主电路和控制电路单独分开。如图 2.2(a)图所示，交流 _(max)12()_(max)_1.66.510022751.60.95enablethvinsvinsaconenablethfbrigeVINSRVMRKVVINSVVVV===−−−−125113.333805reffbfboutrefVRVMRKVVVV===−−()113.335.25()399.113.33outovpMkVVk+==()113.334.75()361.113.33outuvdMkVVk+==
    输入在图左侧区域，经过整流桥 D4，右侧为 BOOST 升压主电路，在板子背面蓝色 敷铜区为控制电路，三块电路单独划分区域，结构清晰、美观。 （2）主电路电流通路有两条，一条是电流流过 MOSFET，一条是流过负载。所 以主电路设计时应该竟可能缩小两条环路的长度。图中电感、MOS 管和负载回路经 过精心布局，已经使回路尽可能缩短，减少对外界的辐射干扰。除了缩短回路，本设 计还采用分块敷铜，加宽导线的宽度以减少回路电阻，降低板上的损耗。 （3）控制电路选择在背面和主电路环路外布局，减小主电路大电流高电压对控 制电路产生的干扰。控制电路区域 DGND 敷铜，敷铜可以吸收部分外界的电磁干扰 辐射，增强芯片抗干扰能力。门极驱动导线应该短而粗，以减少外界干扰信号的耦合。 （4）PCB 布局有几点需要注意，控制电路布局时，补偿回路元件和 VCC 两端 电容应该尽可能靠近器件，能够减少干扰、提供稳定电源使电路稳定工作。因为实际 电路连线有一定电阻，为减少大电流流过导线产生的线路压降干扰，DGND 和 AGND 通过磁珠相连，连接位置应该尽可能靠近采样电阻，以减少采样误差，如图 2-2(a)所 示，DGND 和 AGND 连接在采样电阻右端。 根据以上设计原则，最终完成 PCB 布局布线，板子尺寸为 14cm*12cm。板子实 物图如图 2-3 所示。 图 2-3 样机图片 2.2 元器件选型 2.2.1 保险管 保险管是用铅锡合金或铅锑合金材料制成的，具有熔点低、电阻率高及熔断速度
    快的特点。正常情况下保险管在开关电源中起到连接输入电路的作用。一旦发生过载 或短路故障，使通过保险丝的电流超过熔断电流，保险丝被熔断，将输入电路切断， 从而起到过电流保护作用。 图 2-4 保险管电路和选取的保险管 保险管额定电压应大于额定输入电压，本设计选择额定电压 250 V 保险丝。 根据下式计算输出直流额定电流： (2.6) 假定开关电源效率为 90%，PF 为 0.99，交流侧最大输入平均值电流计算为： 所以交流侧最大峰值电流可由下式计算为： (2.7) (2.8) 在最小输入电压 85V，效率 0.9，功率因素 0.99 情况下，最大峰值电流为 6.53A， 所以本设计保险管容量选取 10A。 2.2.2 NTC 热敏电阻 NTC 电阻是以氧化锰等为原料制造的精细半导体电子陶瓷元件。为了避免电子 电路中在开机的瞬间产生的浪涌电流，在电源电路中串接一个功率型 NTC 热敏电阻 器，能有效地抑制开机时的浪涌电流，并且在完成抑制浪涌电流作用以后，由于通过 其电流的持续作用，功率型 NTC 热敏电阻器的电阻值将下降到非常小的程度，它消 耗的功率可以忽略不计，不会对正常的工作电流造成影响，所以，在电源回路中使用 功率型 NTC 热敏电阻器，是抑制开机时的浪涌，以保证电子设备免遭破坏的最为简 便而有效的措施。 (max)(max)3500.921380outoutoutPWIAVV===(max)_(max)(min)3504.620.9850.99outinrmsinPWIAVPFV===_(max)_(max)224.626.53inpeakinrmsIIA===
    图 2-5 热敏电阻电路和选取的热敏电阻 所选择的热敏电阻的额定电流要大于电路工作的最大均值电流，所以本设计选择 额定电流 6A，5Ω的 NTC5D-15。 2.2.3 压敏电阻 压敏电阻是一种限压型保护器件。利用压敏电阻的非线性特性，当过电压出现在 压敏电阻的两极间，压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值，从而实现对 后级电路的保护。作用主要是过电压保护、防雷、抑制浪涌电流、吸收尖峰脉冲、限 幅、高压灭弧、消噪、保护半导体元器件等。 图 2-6 压敏电阻电路和选取的压敏电阻 压敏电阻器与被保护的电器设备或元器件并联使用。当电路中出现雷电过电压或 瞬态操作过电压 Vs 时，压敏电阻器和被保护的设备及元器件同时承受 Vs，由于压敏 电阻器响应速度很快，它以纳秒级时间迅速呈现优良非线性导电特性，此时压敏电阻 器两端电压迅速下降，远远小于 Vs，这样被保护的设备及元器件上实际承受的电压 就远低于过电压 Vs，从而使设备及元器件免遭过电压的冲击。 图 2-6 为本设计选用的压敏电阻，耐压值 430V，型号为 FNR-10K431。 2.2.4 EMI 滤波电路 电源线是干扰传入设备和传出设备的主要途径，通过电源线，电网的干扰可以传 入设备，干扰设备的正常工作，同样设备产生的干扰也可能通过电源线传到电网上， 干扰其他设备的正常工作，必须在设备的电源进线处加入 EMI 滤波器。 EMI 滤波电路由安规电容和共模电感组成，如图 2-7 所示。安规电容分为 X 电 容和 Y 电容，X 电容是指跨与 L-N 之间的电容器，多选用耐纹波电流较大的聚脂薄
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