基于UCC28070的交错式PFC设计

黄 峰，张正清

（湖南工程学院 电气信息学院，湘潭 411104）

0 引 言

开关电源是一种电压转换电路，其主要功能是升压和降压，具有体积小、效率高等优点，在电子产品中得到广泛应用.开关电源的控制电路比较复杂.输出纹波电压较高，且开关电源中的调整管工作于开关状态，存在开关损耗.因此，有必要降低电源电路的损耗［1］.

现代的PFC技术不同于功率因数补偿，它针对非正弦电流波形畸.交流线路电流跟踪电压波形瞬时变化轨迹，电流和电压保持同相位，系统呈纯阻性.

本文利用TI公司UCC28070［2］设计了一款功率为1500W 的交错式 PFC电源［3－4］.UCC28070是先进的功率因素修正器件，集成了两个工作在180°反相的交错式PWM.这种PWM交错工作能降低输入和输出纹波电流，使得导电EMI滤波变得更加容易，成本更低.测试数据表明，与传统控制模式相比，系统显著增强了PF、效率、总谐波失真等性能.

1 UCC28070和控制电路原理

UCC28070是首款单芯片交错式功率因数校正（PFC）控制电路，可满足千瓦级通信、服务器与工业系统的要求.新型UCC28070双相平均电流模式控制器可简化电源设计，提高系统可靠性，实现超过0.9的额定功率因数，从而提高了节能性能.

UCC28070采用独特的180°交错技术，有助于提高系统可靠性，降低输入与输出电流纹波，通过电磁分配改进热管理水平.与目前常见的非交错式PFC架构相比，平均电流模式交错技术能使纹波减少50%～100%.

在工作时，UCC28070的PFC部分由电流环和电压环进行双环控制.UCC28070的PFC控制器主要包含有电压误差放大器（VA）、乘法器（Mult）、电流误差放大器（CA1、CA2）等电路.PWM部分主要包括振荡器、PWM比较器 （A相PWM比较器、B相PWM比较器）、RS触发器和驱动器等单元电路.

PFC控制电路的原理图如图1所示.它是以UCC28070为核心的控制电路，两路电流检测以及输出两路相位相差180°的驱动信号来驱动功率管的导通与关断.

图1 PFC控制原理图

2 参数计算及选型

（1）主电路参数设计

①BOOST电感计算

输入交流电压230VAC±15%，频率50±2.5Hz，输出直流总线电压400VDC，额定输出功率1500W，输入功率因数PF≥0.99，总电流谐波失真度THD≤5%，效率≥0.95.

BOOST级的输出电压应当高于输入最高电压的峰值.输入电压220V，50Hz交流电，变化范围是额定值的15%（Δ＝15），最高峰值电压为374V.最小输入电压的有效值为195.5V.输出电压可以选择390～410V.

电感应当在最大电流时避免饱和.最大交流输入电流发生在输入电压最低，同时输出功率最大时有Iimax＝4.04A.

工作频率由功率器件，效率和功率等级等因素决定.开关频率设为75kHz.

如果Uo选取较低，在最高输入电压峰值时对应的占空度非常小，由于功率开关开关时间限制（否则降低开关频率），可能输入电流不能跟踪输入电压，造成输入电流THD加大.因此为保证电流连续，BOOST电感应当大于：

②输出电容

通过外接输出电容来稳定输出的同时，减少纹波电压.选择三个耐压值为450V，电容量为330μF的电容并联COUT＝990μF.输出纹波电压的峰－峰值VRIPPLE为

③功率管及续流二极管的电流计算

BOOST电路续流二极管的平均电流ID为1.875A.选择型号为CSD10060的SiC二极管，为了减少二极管的反向电流，降低反向电流对检流电路的影响，使占空比能够更大.通过MOS管的峰值电流（IPEAK）为8.64A.

（2）电流互感器的选择

①电流互感器的选择

主要根据峰值电流来计算，一般选择使检流电阻上的最大电流不超过100mA.实际选择NCT＝80.确定型号为L1222的电流互感器，它的原副边匝数比为1∶80，电感量为3mH.

②检流电阻的计算与选择

根据峰值电流的限制信号VS，主路电流通过电流互感器耦合到检测电路，在通过RS转换为电压信号，一般留有10%的占空比调节余量，使电路轻载时不受影响.考虑电阻工作时的额定功率，选择3个100Ω的电阻并联.RS＝33.3Ω.复位电阻RR选择标准值为680Ω的电阻.电流互感器矫正二极管选择肖特基二极管SSCD110S，它的反向击穿电压为100V，正向导通压降为0.85V.

（3）输入欠压保护电路设计

运放输出高电平为Uo，低电平为0，运放正端输入电压值为UREF.根据运放的虚短原理和叠加定理，确定正端分压电阻的取值.定运放供电电压为6V，根据LM2904运放特性，输出高电平为4.5V.设达到开启电压时，运放负端的输入电压为UON.达到关断电压时，运放负端的输入电压为UOFF.开启电压设为190V开机，UON＝2.13V，UOFF＝1.79V.

（4）UCC28070参数设定

①工作频率选择及最大占空比钳位

UCC28070内部有时钟晶振，通过改变电阻RRT的阻值，来调节芯片的工作频率.这里设计的工作频率为75kHz，选择标准值为100kΩ的电阻.

UCC28070不仅可以改变工作频率，同样，可以通过改变电阻RDMX的阻值，确定想要的最大占空比，这里设计选择的最大占空比为0.95，确定电阻RDMX的阻值.选择标准值为91kΩ的电阻.

②输出电压调节

电阻RA通过控制基准的大小来减少最低误差，构建电阻RA一般用两个或两个以上的电阻串联来满足高电压的需要.而RB则用于调节输出电压的范围VOUT.这里RA取3MΩ ，则RB为23.3 kΩ.选择标准值为36kΩ与68kΩ的电阻并联，并联后电阻为RB＝23.5kΩ.

输出电压通过分压电阻网络RA和RB采样给VSENSE管脚，而且UCC28070通过内部门槛电压设置过压保护电路阈值.VOVP＝409V.

③峰值电流限制

UCC28070有一个可以调节设置的峰值电流限制电路.它通过选择定值电阻RPK1，在计算需要的电阻RPK2，这里根据选择的电流互感器及检流电阻的参数.选择峰值电压为3.7V，所以RPK2为5.9kΩ.

④电压环路补偿

BOOST拓扑电路，其电感等效于一个电流源.该模型的小信号传递函数如下：

传递函数包括一个一阶微分环节和一个惯性环节.一阶微分环节由电解电容Ce及其寄生电阻Resr引起，产生一个ESR零点.

为了使设计的系统保持稳定，采用Ⅱ型补偿网络的零极点来补偿电容跟寄生电阻和负载电阻产生的零点和极点.Ⅱ型补偿电路的小信号传递函数如下：

具有一个零点、一个极点和一个初始极点.零点由电阻R2和电容C1构成，R1＝3MΩ，R2＝6.8kΩ，C1＝220pF，C2＝10000pF.求得：

3 UCC28070电路调试

设计测试电路，通过电阻网络，分压给管脚VSENSE，提供电压采样信号，在不上强电的情况下，测试驱动是否正常，操作步骤如下：

（1）外部用电阻网络，外接5V电源，通过分压得到一个大小为1～3V的电压，VSENSE管脚提供一个模拟信号，帮助芯片启动工作.

（2）关掉输入电压，通过辅助电源，给芯片提供＋12.5V的直流电，通过设置示波器到标准模式，到触发状态，捕捉MOS管上的驱动信号，波形如图2所示.

（3）关掉辅助电源，将捕捉的波形展开，观察驱动波的频率是否为设置的75kHz，最大占空比是否超过设置的95.5%.

欠压保护电路调试.利用带有回差的比较器，控制芯片工作状态.通过改变输出电压，观察芯片的工作指示灯状态.过程如下：

（1）按照原理图接线，其中输入电压这里接到调压器的输出端.由于只是测试是否欠压保护，所以选择半载测试.

（2）通过旋转调压器的转盘，慢慢的增大输入电压，观察UCC28070的工作状态指示灯.当指示灯变暗变亮时，记下此时调压器的输出电压，看是否与的设计值相符.

当UCC28070工作时，通过反向旋转调压器转盘，逐渐减小输入电压，观察UCC28070工作状态指示灯，当指示灯由亮变暗时，记下调压器的输出电压，检查是否与设计值相符.

带载调试.

（1）按照原理图接线，接负载电阻.接线过程中，应避免线路接错，用万用表检测负载电阻是否为选择值.

（2）打开辅助电源，在通过调压器慢慢增大输入电压，看电路是否正常启机工作，观察功率因数是否达到设计的要求.

（3）用万用表测试输出电压的大小，观察是否稳定在设计的400V左右.

（4）在半载正常的前提下，通过切换电阻大小，把电阻切换到100Ω，再观察功率因数及输出电压的变化，看是否还是稳定.

（5）当确定带满载稳定以后，按照测试报告的要求，测试设计的电路的各项指标.

测试数据如表1所示.波形如图3所示.

表1 测试数据结果

图3 交错式驱动的输出驱动波形

4 结 论

利用UCC28070设计了一款交错式PFC控制电路.新型交错式PFC控制电路，不仅减少了谐波分量，提高了功率因素，而且对减少电路损耗，提高系统工作效率有明显的作用.

［1］王永祥，孙奉娄.基于UCC28070单相双重并联交错式Boost PFC的设计［J］.电源技术，2011，35（5）：581－589.

［2］郭 晶.TI推出单芯片交错式PFC优化千瓦级系统节能特性［J］.世界电子元器件，2008（1）：102.

［3］陈文明，黄如海，谢少军.交错并联Boost PFC变换器设计［J］.电源学报，2011（4）：63－67.

［4］江剑峰，曹中圣，杨喜军，等.采用双环控制并联交错模拟PFC的研究［J］.电力电子技术，2011（9）：95－97.