基于NCP1607的自驱动Boost PFC的设计

赵舒泽，陈 申，吕征宇

（浙江大学电气工程学院 应电系，杭州 310027）

引言

ST公司的L6562是典型的临界导通模式的PFC控制芯片。其跟踪电压的原理[1,2]是芯片内部通过乘法器产生一个与输入电压同步的基准信号，当电感电流增加到该基准值时，产生关断信号；当电感电流过零时，产生开通信号。于是，输入电流便可以跟踪输入电压，从而实现功率因数校正。

安森美公司推出了同样类型的控制芯片NCP1607。其最大的特点就是，不需要检测输入电压，便可以实现功率因数校正[3]。

1 NCP1607芯片的功率因数校正原理[3,4]

图1 是基于NCP1607的Boost PFC的系统电路图。可以看出，系统只需要采样输入电压，便可以实现功率因数校正。

图2 是功率因数校正的原理图。其中Vin（t）是输入电压；IL（t）是电感电流；IL_max（t）是电感电流的包络线，也就是电感最大电流；Iin（t）是输入电流。

图1 基于NCP1607的Boost PFC的系统电路图

因而电感上的磁链方程，有：

所以，有：

可见，电感电流的最大值，可以跟踪输入电压。电感电流经过输入电容的滤波之后，得到的输入电流Iin（t）便可以跟踪输入电压，从而实现功率校正。

图2 功率因数校正原理图

2 关键参数设计[3,4]

系统的关键参数主要有输入滤波电感和过零检测匝比。

2.1 输入滤波电感

输入电感的值，决定了变换器的最低工作频率。输入电感越大，最低工作频率越小。为了保证变换器工作时，不产生噪声污染，最低频率是20 kHz。输入滤波电感的临界值Lcri为：

式中：Vac为输入电压；fsw_min为变换器最低工作频率；Vo与Po分别为输出电压与功率。

2.2 过零检测匝比Nb∶Nzcd

过零检测匝比设计的依据是：在整个电网周期内，电感电流过零都可以被有效地检测出来。

就基于NCP1607的PFC而言，要求在开关管关断期间，芯片过零检测脚上的电压要大于ZCD比较单元的上限门槛Vzcdh。这样，当电流过零后，就可以有效地触发过零检测单元。

其中Vzcdh典型值为2.1 V，最大匝比10.6:1。根据BOOST电路电感量，原边匝数41匝，选取匝比41:8。

3 自驱动电路的分析和设计[5]

基于NCP1607的功率因数校正变换器，虽然可以很好地实现功率因数校正。然而，变换器实际工作时，仍需要辅助电源给芯片供电。因此，有必要引入自驱动电路，不仅可以简化系统，也可以节约成本。

3.1 原理

图3 是升压泵的原理图。从图上可以看出，升压泵的主体是一个RCD网络。

图3 升压泵的原理图

升压泵的工作过程主要有三个模态：启动充电，辅助电容充电，辅助电容放电。图4为自驱动时的供电电压Vcc的波形和各个模态信号流图。

t0-t1：启动充电模态，其信号流图如图4-b所示。该时段内，Vcc不断变大，直到Vcc达到芯片的开启电压Vcc_on，该阶段结束，变换器开始工作。

t1-t2：过渡阶段，变换器进入暂态。

t2-t3：辅助电容充电阶段，其信号流图如图4-c所示。这个阶段，开关管开通。Dcp导通，从而向辅助电容Ccp充电。此阶段内Cvcc向芯片供电，因此，Vcc变小。

t3-t4：辅助电容放电阶段，其信号流图如图4-d所示。这个阶段，开关管关断，Dcp截止，Ccp向芯片供电，因此，Vcc变大。

图4-a 自驱动时的供电电压Vcc的波形

图4-b 启动充电模态

图4-c 辅助电容充电模态

图4-d 辅助电容放电模态

3.2 参数设计

设计一个良好的自驱动电路，需要考虑以下几个关键参数：过零检测匝比，Rcp和Ccp。

过零检测匝比结合2.2中的讨论，选取匝比Nb∶Nzcd=41:8。

辅助电容Ccp的电压变化量ΔVccp为：

其中Vdcp为稳压管的箝位电压。

根据辅助电容Ccp上的电量守恒，有：

因此可以得到辅助电容Ccp的临界值Ccp_cri：

式中：Icc_typ为芯片工作时的典型电路，可在NCP1607的datasheet上查到，一般可取2.5 mA；Tsw_max为最大开关周期，因为这个时候芯片需要最多的能量。

Rcp的设计原则是在Ton期间内，保证辅助电容Ccp充分充电。因此要保证时间常数足够小。

4 实验与讨论

针对上述自驱动的方案，设计了一台样机，样机的参数如表1所示：

表1 样机参数表

关键参数以及自驱动网络参数分别如表2和表3所示。

表2 变换器关键参数表

表3 自驱动网络参数表

满载下，测得的芯片供电电压波形如图5所示。对比图4-a，可以看出，理论波形和实验波形基本吻合。

图5 满载下启动时芯片供电电压Vcc波形

图6 半载时的输入电压和输入电流波形

图7 满载下的输入电压和输入电流波形

图6 和图7分别描绘了变换器在半载和满载时的输入电压和输入电流波形。计算得到的功率因数在0.99之上。

图8 描绘了全输出范围内的效率。从图上可以看出，在半载和满载时，变换器效率均在94%以上。

图8 不同负载下的功率折线图

5 结语

本文介绍了功率因数控制芯片NCP1607的原理及其应用方法。同时，介绍了一种基于升压泵的Boost PFC自驱动方案。详细分析了其工作原理，以及参数设计方法，最后给出了实验证明。实验结果证明了分析的合理性以及设计方法的有效性。

[1]陶以彬，杨波，李官军等.基于L6562的高功率因数Boost电路的设计[J].电子元器件应用，2009,11(10):10-13.

[2]ST corporation.Transition-mode PFC controller.www.st.com.Nov.2005.

[3]On Semiconductor.Cost Effective Power Factor Controller.http://onsemi.com.Apr.2009.

[4]On Semiconductor.Implementing Cost Effective and Robust Power Factor Correction with the NCP1607.http://onsemi.com.Dec.2008.

[5]林渭勋.现代电力电子技术[M].北京：机械工业出版社.2007.