基于UC3852控制的有源PFC电路设计

司宇航，贾文超，周长鹏

（长春工业大学，吉林 长春 130000）

功率因数校正电路（Power Factor Corrector）是一个标准的变换器通过利用脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation）技术改变输入功率的大小，以提供负载所需要的功率。改变脉冲的宽度通常利用Power MOSFET来实现，脉冲宽度调制器将输入的直流电压改变成一串脉冲波形式的电压，再通过利用快速二极管和变压器将电压脉冲波转换成平滑的直流电压输出，将输出的电压值与电源供应器应该输出的标准电压值进行比较，将产生的电压差值反馈给PWM控制器，如果电路输出电压过高，脉冲宽度就会减小，进而使输出电压降低。同理，如果电路输出电压过低，就会增大脉冲宽度以使输出的电压恢复为正常值。PFC技术可划分为两大类，一类是无源PFC技术，另一类是APFC（Active Power Factor Correction）有源功率因数校正技术。

1 有源功率因数校正电路

APFC工作原理如图1所示，APFC电路接在整流桥与变换器之间，市电交流220 V电压经整流桥全波整流后，再进行DC/DC变换。有源功率因数校正电路由电流反馈环和电压反馈环共同控制，输入电流环使变换器的输入电流波形与全波整流后的电压波形一致，并且相位相同，而输出电压环能够使DC/DC变换器输出稳定的直流电压，并使其成为一个直流稳压源。因为APFC电路十分复杂，所以通常采用集成电路控制。

图1 APFC工作原理图

2 APFC电路控制芯片UC3852

UC3852是一款零电流关断的有源高功率因数控制器，由于它具有成本低、所需外部元器件较少的特点，所以被广泛应用在50～500 W的PFC变换器中。由UC3852控制的APFC电路可产生正弦的交流输入电流，并且通过调整直流输出电压可使功率因数提高到0.99以上。该芯片的主要特点如下：①具有欠压闭锁功能，芯片在16 V时开通，并在11 V时自动关断；②栅极驱动输出被钳位到12 V，并具有较低的自偏压输出；③具有过电流保护功能；④可通过编程改变控制电路的最大频率和最大开通时间；⑤芯片工作电流较小，启动电流为0.4 mA；⑥能够实现零电流开关，可以实现高效率并且开通时间可控；⑦电路功率因数高，总体成本低。UC3852 PFC集成控制器由内部电源、误差放大器、逻辑电路、零电流与过电流比较器、PWM比较器及驱动输出级等单元电路组成。UC3852内部结构和引脚如图2所示。

3 有源功率因数校正电路的结构与设计

3.1 APFC电路的相关参数

本文以UC3852为控制芯片，设计一个有源PFC电路，将其作为120 W开关电源的前置变换器，主要的技术要求如下：额定输入电压Ui=220 V，最低输入电压Ui（min）=180 V，最高输入电压Ui（max）=265 V，直流输出电压U0=400 V，开关频率30 kHz，反射电压UR=116 V，过电压△U=70 V，期望效率η=90%.

3.2 电路结构

由UC3852控制的APFC电路如图3所示。其中，电容C4是输出滤波电容，C1是位于高频旁路的小容量电容器。有源PFC控制电路在整流桥VD1和输出滤波电容C4之间。R1、C2是IC启动电路，R1同时又是IC的电源偏置电阻。L1是升压电感器，与副绕组组成电流变压器用来检测电流。R2是电流检测电阻器，用来检测电感电流。R3和C3用作编程UC3852的开关导通时间。VT1是由UC3852驱动的功率开关MOSFET。VD3是高速开关二极管。R7、R8与R9为输出电压分配器，用于反馈输出信号。R5与C5一起构成误差放大器的RC补偿网络。

图2 UC3852内部结构和引脚图

3.3 控制电路及升压电感的设计

3.3.1 升压电感器参数的确定

设升压电感器L1的电感量为L，变换器的最长导通时间为：ton（max）=4P0L/U2P(min)≈7.4×10-3L（s）。

最长截止时间为：toff（max）=4P0L/[UP（max）（U0-UP（max））]≈4.94×10-2L（s）。

最长开关周期为：tmax=ton（max）+toff（max）=5.68×10-2L（s）。

最低频率为fmin=1/tmax=30 Hz，因L=1/（5.68×10-2×3×104）≈587µH。

峰值检测电流为：ILP=4P0/UP(min)≈1.89A。

根据已设计的升压电感值，通过面积乘积法（AP）法来设计磁芯尺寸。面积乘积即磁芯有效截面积与窗口面积的乘积，为：

式（1）中：Aw为磁芯窗口面积，cm2；Ae为磁芯的有效截面积。

设计的升压电感应当满足：

式（2）中：J为电流密度，一般取2～6 A/mm2，此处取典型值4 A/mm2；Kw为窗口面积的利用系数，通常为0.3～0.4，选用0.35；ΔBmax为最大磁通密度，取0.25 T。

参照设计方案，结合实际设计要求，采用PQ26/20铁芯。相关参数如下：有效截面积Ae=113 mm2，窗口面积Aw=29.93 mm2。则 AP=0.338 cm4，满足 AP＞0.262 cm4。

不超过磁通密度的条件下，达到要求的电感值需要的最少绕组匝数为：所以升压电感取值为40匝，副绕组为3匝，均采用AWG#21漆包线绕制。

3.3.2 其余元件的选择

其余元件参数的计算可通过查阅UC3852芯片资料手册计算得出，本文不再详细列出。本设计最终的选择为：电流检测电阻R2选择0.2Ω、1/2 W电阻。启动电路中R1选择180 KΩ、1/2 W的电阻，C2选用15μF、50 V的铝电解电容。R3选择13.3 KΩ、1%精度的电阻，C3选择180 pF、16 V的瓷介电容。R9=5.1 KΩ，R7与R8的阻值之和为400 KΩ。在RC补偿网络中，R5=1 MΩ、C5=0.1μF、R6=20 KΩ。VT1选用FCP20N60型号的MOSFET，VD3选用2 A、500 V的快恢复（开关）二极管，VD2选用IN4148型小信号高速二极管。

图3 APFC原理图

本文设计了一种利用UC3852芯片控制的100 W开关电源前置变换器提高开关电源的功率因数，经过测试，PF=0.992，THD=6%，U0=400 V（误差为±3%）。由于APFC电路的设计实践性很强，本文给出的方法仅作为一种参考。