200W無(wú)紋波輸入電流PFC預(yù)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)與應(yīng)用

引言

在開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中，功率因數(shù)校正（PFC）預(yù)調(diào)節(jié)器是一個(gè)關(guān)鍵部分。然而，傳統(tǒng)過(guò)渡模式運(yùn)行的PFC預(yù)調(diào)節(jié)器存在一個(gè)重大局限，即其輸入紋波電流較大。為了滿足電磁干擾（EMI）要求，需要使用大型差模（DM）線路濾波器。而紋波轉(zhuǎn)向技術(shù)可以將電感紋波電流理論上降至零，這對(duì)于減少離線開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器，尤其是PFC預(yù)調(diào)節(jié)器對(duì)DM濾波的需求非常有幫助。本文將圍繞使用L6563S控制器的200W無(wú)紋波PFC預(yù)調(diào)節(jié)器展開(kāi)，詳細(xì)介紹紋波轉(zhuǎn)向技術(shù)的理論基礎(chǔ)、實(shí)際應(yīng)用以及相關(guān)設(shè)計(jì)考慮。

文件下載：EVL6563S-200ZRC.pdf

零紋波電流的基本拓?fù)?/h2>

磁集成與零紋波現(xiàn)象起源

耦合磁器件在電子領(lǐng)域由來(lái)已久，其在功率開(kāi)關(guān)電路中的應(yīng)用可追溯到20世紀(jì)70年代末的Cuk轉(zhuǎn)換器實(shí)驗(yàn)，磁集成技術(shù)也由此起源。在Cuk轉(zhuǎn)換器的初始實(shí)驗(yàn)中，首次觀察到了零紋波電流現(xiàn)象，基于此現(xiàn)象衍生出的紋波轉(zhuǎn)向或紋波抵消技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

零紋波電流的優(yōu)勢(shì)

在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器中，最小化電感紋波電流具有重要意義。一方面，降低電感紋波電流可以減少對(duì)轉(zhuǎn)換器電容器的應(yīng)力，降低相關(guān)功率損耗或放寬濾波要求；另一方面，大多數(shù)轉(zhuǎn)換器拓?fù)湓谳斎牖蜉敵龆舜嬖诿}動(dòng)電流，而許多應(yīng)用由于電磁兼容性（EMC）或負(fù)載要求，需要在兩端實(shí)現(xiàn)低傳導(dǎo)噪聲。傳統(tǒng)上，這一問(wèn)題通常通過(guò)額外的LC濾波器來(lái)解決，但這會(huì)增加轉(zhuǎn)換器的尺寸和成本，還可能影響小信號(hào)動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。紋波轉(zhuǎn)向技術(shù)可以使輸入電流變?yōu)榉敲}動(dòng)或接近非脈動(dòng)，從而消除大部分差模傳導(dǎo)噪聲，有助于減小EMI濾波器的尺寸和復(fù)雜度。

基本拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)零紋波

所有轉(zhuǎn)換器拓?fù)渲灰嬖趦蓚€(gè)或更多具有相同（或成比例）頻率和相位電壓的電感，就有可能實(shí)現(xiàn)零紋波電流現(xiàn)象。像Cuk和SEPIC等拓?fù)浔旧砭陀袃蓚€(gè)可耦合在同一磁芯上的電感，適合采用紋波轉(zhuǎn)向技術(shù)。而對(duì)于buck、boost、buck - boost、flyback和單輸出forward等通常只有單個(gè)電感的拓?fù)洌枰谕浑姼写判旧显黾右粋€(gè)繞組，并使其與要消除紋波電流的繞組具有相同電壓。通過(guò)添加一個(gè)被稱為平滑變壓器的單元，可以將交流分量（紋波電流）從外部可訪問(wèn)的直流繞組轉(zhuǎn)移到交流繞組（抵消繞組），使直流繞組和輸出端口僅通過(guò)直流電流。

零紋波電流現(xiàn)象的理論分析

零紋波條件推導(dǎo)

對(duì)于一個(gè)具有自感(L_1)和(L_2)的雙繞組耦合電感，當(dāng)耦合系數(shù)(k = frac{M}{sqrt{L_1 L_2}})（(M)為互感）和有效匝數(shù)比(n_e = sqrt{frac{L_2}{L_1}})滿足(k n_e = 1)或(k = n_e)，且繞組由相同電壓供電時(shí)，可實(shí)現(xiàn)其中一個(gè)繞組的零紋波電流。通過(guò)分析(a = k n_e)和(a = n_e / k)等耦合電感模型，可以得出在不同條件下實(shí)現(xiàn)零紋波電流的等式。

條件分析與總結(jié)

需要注意的是，由于(k < 1)，要實(shí)現(xiàn)二次側(cè)零紋波電流，必須滿足(n_e > 1)（即(L_2 > L_1)）；要實(shí)現(xiàn)一次側(cè)零紋波電流，則需(n_e < 1)（即(L_1 > L_2)），因此無(wú)法同時(shí)使兩個(gè)繞組的紋波電流降為零。并且，實(shí)現(xiàn)零紋波電流的繞組對(duì)于交流電流而言相當(dāng)于開(kāi)路，其終端看到的電感等于其自感。

零紋波電流條件的靈敏度

實(shí)際實(shí)現(xiàn)的困難

在實(shí)際的耦合電感中，要將繞組中的紋波電流精確降為零并實(shí)現(xiàn)完美的紋波轉(zhuǎn)向是非常困難的。主要原因包括零紋波條件不匹配和施加電壓不匹配。由于電感值由匝數(shù)和磁路平均磁導(dǎo)率決定，匝數(shù)比只能取離散值，且難以精確控制平均磁導(dǎo)率以滿足零紋波條件。此外，實(shí)際操作中，繞組電阻壓降、外部電路的局限性等因素會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)繞組的激勵(lì)電壓不完全相等。

殘余紋波電流評(píng)估

通過(guò)(a = k n_e)模型可以評(píng)估殘余紋波電流。方程表明，DC繞組的電感雖然理論上對(duì)現(xiàn)象本身無(wú)關(guān)緊要，但在實(shí)際中會(huì)影響殘余紋波電流。為了降低紋波，需要采用高漏磁結(jié)構(gòu)，以降低耦合系數(shù)(k)，從而最大化“殘余”電感(L_2(1 - k^2))。

紋波衰減分析

定義紋波衰減(A)為殘余紋波與無(wú)耦合電感時(shí)紋波的比值。通過(guò)分析不同耦合系數(shù)(k)和相對(duì)電壓失配下的衰減曲線，可以發(fā)現(xiàn)低耦合系數(shù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)良好的紋波衰減至關(guān)重要。當(dāng)耦合系數(shù)(k)約為0.7時(shí)，即使在(delta)值有±10%的公差和10%的電壓失配情況下，也能實(shí)現(xiàn)大于10 - 12dB的衰減。

平滑變壓器頻率特性

平滑變壓器能夠?qū)崿F(xiàn)三階電流紋波衰減，其傳遞函數(shù)通常包含三個(gè)極點(diǎn)和兩個(gè)零點(diǎn)。當(dāng)零紋波條件滿足時(shí)，兩個(gè)零點(diǎn)趨于無(wú)窮大，平滑變壓器成為三階全極點(diǎn)濾波器。零紋波條件不匹配會(huì)使零點(diǎn)對(duì)向極點(diǎn)移動(dòng)，產(chǎn)生一些“陷波”頻率，在這些頻率處可實(shí)現(xiàn)更大的衰減，但會(huì)降低高頻段的整體衰減。

零紋波電流現(xiàn)象的實(shí)際應(yīng)用

高漏磁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)參數(shù)變化低靈敏度的零紋波電流，需要采用高漏磁結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的同心繞組布置不適合，可采用將繞組放置在單獨(dú)的磁芯腿上（如EE磁芯）或在同一腿上并排布置的方式。這種布置方式能實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定的漏感值，因?yàn)槠渑c線軸的幾何形狀和機(jī)械公差相關(guān)，更容易控制。市場(chǎng)上常見(jiàn)的開(kāi)槽線軸可用于并排繞組布置。

電流和磁通分配

平滑變壓器的基本作用是將電流分為直流分量和交流分量，分別在直流繞組和交流繞組中流動(dòng)。這樣，繞組中的總均方根電流不變，所需的總銅面積與單個(gè)電感承載總電流時(shí)相近。通常情況下，由于磁通密度限制或磁芯損耗原因，不需要增加磁芯尺寸。并且，直流繞組可以使用單根導(dǎo)線，交流繞組使用利茲線或多股線，以最小化增加繞組的成本。

設(shè)計(jì)步驟

1. 確定常規(guī)電感參數(shù)：從電路設(shè)計(jì)中確定所需的電感值(L_1)、最大峰值短路電流以及滿負(fù)載條件下的均方根、直流和交流電感電流。
2. 選擇磁芯和線軸：假設(shè)使用EE形鐵氧體磁芯和開(kāi)槽線軸，確定磁芯的最大磁通密度和最大磁通擺動(dòng)，初步選擇磁芯尺寸并確定損耗極限。
3. 計(jì)算匝數(shù)和間隙：根據(jù)零紋波電流條件，通過(guò)調(diào)整匝數(shù)(N1)和間隙(gap)分別控制漏感(L{l1})和磁化電感(L_M)，然后確定二次側(cè)匝數(shù)(N_2)，使匝數(shù)比(n = N_2 / N_1)滿足零紋波條件。

200W無(wú)紋波輸入電流PFC預(yù)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

電路設(shè)計(jì)

根據(jù)上述理論和實(shí)際應(yīng)用考慮，設(shè)計(jì)了基于L6563S控制器的200W無(wú)紋波PFC預(yù)調(diào)節(jié)器。該調(diào)節(jié)器的電氣原理圖展示了各個(gè)元件的連接方式，包括耦合電感、電容、開(kāi)關(guān)管等。

性能測(cè)試

對(duì)該預(yù)調(diào)節(jié)器進(jìn)行了多項(xiàng)性能測(cè)試，包括諧波發(fā)射、符合標(biāo)準(zhǔn)情況、線路電流和電壓、交流和直流繞組電流以及傳導(dǎo)EMI等。測(cè)試結(jié)果表明，該調(diào)節(jié)器在不同輸入電壓和負(fù)載條件下都能實(shí)現(xiàn)良好的性能，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

結(jié)論

紋波轉(zhuǎn)向技術(shù)為降低PFC預(yù)調(diào)節(jié)器的輸入紋波電流提供了一種有效的解決方案。通過(guò)采用高漏磁結(jié)構(gòu)和合理的設(shè)計(jì)方法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)參數(shù)變化低靈敏度的零紋波電流。200W無(wú)紋波輸入電流PFC預(yù)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)和測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了該技術(shù)的可行性和有效性，為開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)提供了有益的參考。

在實(shí)際應(yīng)用中，電子工程師需要綜合考慮各種因素，如磁芯材料、繞組布置、元件參數(shù)等，以實(shí)現(xiàn)最佳的性能和成本效益。同時(shí)，對(duì)于紋波轉(zhuǎn)向技術(shù)的進(jìn)一步研究和優(yōu)化，有望在未來(lái)的電源設(shè)計(jì)中發(fā)揮更大的作用。你在實(shí)際設(shè)計(jì)中是否遇到過(guò)類(lèi)似的問(wèn)題？又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。