开关电源第三讲：进线滤波器和有源功率因素校正电路（图） (开关电源用法)

一、进线滤波器电磁干扰滤波器亦称EMI滤波器，电网干扰噪声可分为两大类：一类是从电源进线引入的外界干扰，另一类是由电子设备产生并经电源线传导出去的干扰噪声。这表明它属于双向干扰信号，电子设备既是噪声干扰的对象，又是一个噪声源。若从形成特点看，噪声干扰分差模干扰与共模干扰两种。差模干扰是两条电源线之间(简称线对线)的噪声，共模干扰则是两条电源线对大地(简称线对地)的噪声。因此，电磁干扰滤波器应符合电磁兼容性(EMC)的要求，也必须是双向射频滤波器，一方面要滤除从交流电源线上引入的外部电磁干扰，另一方面还能避免本身设备向外部发出噪声干扰，以免影响同一电磁环境下其他电子设备的正常工作。此外，电磁干扰滤波器应对差模、共模干扰都起到抑制作用。开关电源两根交流进线上存在共模干扰(两根交流进线上接收到的干扰信号，相对参考点大小相等、方向相同，如电磁感应)和差模干扰(两根交流进线上接收到的干扰信号相对参考点大小相等、方向相反，如电网电压瞬时波动)。两种干扰以不同比例同时存在。开关电源中，整流电路、开关晶体管的电流电压快速上升或下降，电感、电容的电流也迅速变化，这些都构成电磁干扰源。为了减少干扰信号通过电网影响其他电子设备的正常工作，也为了减少干扰信号对本机音*信号的影响，需要在交流迸线侧加装进线滤波器。滤波器由电感电容构成。开关电源的进线滤波器如图3-3-1所示。

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电路中LFl、LF2是共模扼流圈，在一个闭合高导磁率铁芯上，绕制两个绕向相同的线圈。共模电流以相同方向同时流过两个线圈时，两线圈产生的磁通是相同方向的，有相互加强的作用，使每一线圈的共模阻抗提高，共模电流大大减弱，对共模干扰有强的抑制作用。在差模干扰信号作用下，干扰电流产生方向相反的磁通，在铁芯中相互抵消，使线圈电感几乎为零，对差模信号没有抑制作用。LFl、LF2与电容CYl、CY2构成共模干扰抑制网络。电路中L1是差模扼流圈，在高导磁率铁芯上*绕线构成，对高频率差模电流和浪涌电流有极高的阻抗，对低频(工频)电流的阻抗极小。电容CXl、CX2滤去差模电流，与Il构成差模干扰抑制网络。R1是CXl、CX2的放电电阻(安全电阻)，用于防止电源线拔插时电源线插头长时间带电。安全标准规定，当正在工作之中的电气设备电源线被拔掉时，在两秒钟内，电源线插头两端带电的电压(或对地电位)必须小于原来电压的％。需要特别提示，电容CX、CY为安全电容，必须经过安全检测部门认证并标有安全认证标志。CY电容一般采用耐压为ACV的陶瓷电容，但其真正的直流耐压高达V以上，因此，CY电容不能随便用ACV，或DCV之类的电容来代用。CX电容一般采用聚丙烯薄膜介质的无感电容，耐压为ACV或ACZV，但其真正的直流耐压达V以上，也不能随便用ACV或1)CV之类的电容来代用。电容C1、C2的作用是滤去整流二极管两端的高频谐波电压，高频谐波电压被／Hz信号调制后会对伴音和图像造成干扰。F1保险丝，ZV1是防雷击元件。二、有源功率因数校正电路根据电工学知识,在正弦交流电路中电阻上的电压和电流同相，即波形相同，电压的幅度是电流幅度的R倍，电阻上消耗的有功功率P=UI。但是在电感或电容上的电压和电流波形除了幅度不一致外，相位还原有º的相位差，它们消耗的有功功率P=0，也就是说它们在电路中起储能作用并不耗能。对于电感线圈，当通过其电流增加时，其所储磁能也增加；当通过其电流减少时，向外电路放出磁场能量；对于电容器，当其两端电压增加时，其所储电能也增加,当其两端电压流减小时，向外电路放出所储电能。我们用无功功率Q=UI，来表示电感或电容元件在电路中能量的交换作用。1、功率因数的基本定义对任一无源线性二端网络，根据电路的等效变换原理,总可以等效为一个电阻和一个电电感或电联的电路，即阻抗Z=R+jX。其中，R为电阻，X为电抗设抗（容）元件相串，其上加的正弦电压为u(t)，流过的正弦电流为i(t),则此正弦电压和电流波形必然产生相位差θ，则该电路的的有功功率P和无功功率Q分别定义为P=UICOSφQ=U*INφ功率因数PF(PowerFactor)的基本定义是PF=cosφ式中，φ是正弦电流波形相对于电压波形的相位差。只有当负载呈电阻性时，电压与电流波形同相，PF=1。感性或容性负载时PF小于是1，且负载的电抗成分愈大，功率因数值愈小。实际工业用电中为了提高功率因数，常使用补偿法。如日光灯电路加接电容器来抵消镇流器的电感分量，工厂的配电房，另配电容器柜来抵消众多电机的的感性分量。这种方法称为功率因数无源校*。下面介绍的另一种情况，如常用的电子整流器,,由于使用了二极管的非线性整流和大容量的电容滤波，使二极管的导通角大大小于º,只在电压最大值附近导通，如图3-3-2所示。

图3-3-2桥式整流器交流输入端的电压电流波形这样就产生了大量的电流谐波成分,不仅功率因数低，而且还可能通过电源对其它用电器产生干扰，其输出端的电压电流波形如图3-3-3所示。

2、低功率因数电源存在的问题在没有功率因数校正的开关电源中，交流输入电压经整流后，直接加到滤波电容器两端。只有交流输入电压高于滤波电容两端电压时，滤波电容才开始充电，整流二极管理体中才有电流流过，因此输入电流波形为宽度很窄的脉冲，如图2所示。这种电流不仅严重滞后电源电压而且谐波分量很大，入输总谐波失真可高达％～%，功率因数通常只有0.6～0.7。功率因数较低的开关电源存在许多问题，主要是使电网波形畸变；降低供电*的功率因数，线路损耗加大，增大*供电容量；降低用电设备的使用寿命；干扰仪器、仪表；使算机无法工作。现就增加损举说计线路耗例明如下：如有一家用电器实际消耗功率W，因市电电压额定值是伏，当功率因素PF=1时，则I=1A，这样，从交流市电线路流入的电流为1安培。当功率因数PF=0.7时,代入P=UIcosφ式中,则得到I=1.A，即此时从交流市电线路流入的电流为1.安培,比原来的电流增加了%.我再算一下市电传输线中的损耗:设传输线路阻r0=1.2Ω，根据公式P=I2R，当功率因素PF=1时，路损耗是1.2W；当功率因素PF=0.7时线耗是2.4W，线路损耗增加了一倍。可见功率因素提高电路对节约能源的重要作用。3、有源功率因素校正基本原理如果我们使桥式整流器的输出电流的平均值和电压的波型相同，功率因素即可为1。如图3-3-4所示的升压转换器得到了广泛的采用。开关闭合使电流流入电感器，升压电感储负载电流由滤电容供给。开关断开，升压电流经二极管输到负载，并对波容充电电桥出滤电。由于电容通过电感电流充电。此时的输出电压因是式整流器输电压与压电感压降之和。使PFC电路输出电压比入电压更高，且通升电感的流由不连续改为连续，这样就改变了原来电流导通角小存在的问题，并且使电流导通角的大小跟随电压的化律。

在图3-3-5电路中桥式整流器的输出基波信号是赫兹电压作为功率因数校正的取样电压，通过控制开关管的高速通断，使流过电感的电流平均值波形与电压一致，如图3-3-6所示这样功率因数就接近1。

图3-3-5中乘法器的作用是将PFC电路的输入信号（赫兹的脉动信号）与输出电压（直流）相乘后，调整VT栅极的脉冲宽度。输出电压的反馈是控制PFC电路的输出电压不随交流电源的输入电压的变化而变化，使PFC电路实现其第二个功能，即当交流电压在～伏的范内化，变PFC电路出的直流电是和负载串联,要通过全部工作电流，功耗大，很少被采用。升压式（boost）：简单电流型控制，PF值高，总谐波失真小，效率高，但是输出电压高于输入电压。应用最为广泛。它具有以下优点：[Page]①电路中的电感L适用于电流型控制。②由于升压型PFC的电压预调整作用在输出滤波电容器C上，因开关通断频率高，所以电容器C体小、能大。积储③在整个交流输入电压变化范围内能保持很高的功率因数。④输电，PFC开关瞬间输入电流小，易于EMI滤波。

三、实际的功率因素校正电路1、功率因数校正IC--MCIC--MC功率因素控制芯片，内部有欠压锁定，过压过流保护功能。对驱动的开关管有过流保护。可使功率因素大于0..

②芯片内部框及应用图

③芯片M的工作原理图3-3-8为M的典型应用电路。起动电源由R6和芯片8脚内部电路分压供给，芯片工作后高频电压通过干极管D6整流，C4滤波后供给。工作原理是：时钟定时器加电后，开始振荡，输出定时脉冲进入RS锁存器，其他各路控制信号也送入锁存器，正常情况下锁存器输出脉冲使与门工作，输出反相对称脉冲，通过Qa和Qb放大后，从7脚输出高频驱动脉冲，使MOSFET开关管工作。PFC控制：是双环控制，内环是电流控制由T次感应的电流从芯片5脚输入，加到RS锁存器输入端；外环控制由1脚输入PFC的反馈信号和3脚输入的整流器输出的赫兹脉动直流电压在乘法器内相乘后加到电流检测比较器的反相端，其电流检测比较器的同相端是从4脚输入的锯齿波电压，电流检测比较器的输出决定于两输入端的相对电压，只有当反相端输入电压大于同相端的锯齿波电压才能有输出，这样RS锁存器的转换时间就得到了控制，即实现了PFC控制。保护电路：欠压锁定：当电源电压很低时，使8脚的电压低于8V时，进入欠压锁定状态，即欠压放大器的输入信号极性反转，其输出到与门，使与门输出被锁定，驱动级因而无输出；当8脚电压回到V时，与门锁定被解除。过压保护：PFC电路输出电压通过R1和R2分压，从1脚进入，当过压比较器的输入电压大于1.时，输出信号使芯片进入过压保护状态，过流保护状态：误差信号取自R7上的压降，当其大于1.5V时，电流检测比较器的输出通过RS锁存器和与门，使芯片7脚无输出。④PFC电路T1的初级是升压电感，D5是升压二极管，C3是滤波电容器，Q1是MOSFET开关二极管。