隔离电流检测放大器在PFC升压系统中的应用 (电流隔离器工作原理)
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{本文由家电维修技术小编收集整理资料}PFC(PowerFactorCorrection)被称为“功率因数校正”，被定义为有效功率和总耗电量(视在功率)的比值。当使用于大*率开关电源时，提高功率因数可以降低电网传输中的损耗从而提高电能的输送效率。因此提高功率因数有着重要的意义。本文将为大家介绍川土微电子CA-*X/X系列产品在PFC中的应用，并针对实际应用提出使用方法和控制建议。功率因数的定义功率因数定义为交流电路有功功率P(W)对视在功率S(V*A)的比值。当交流电压和电流相位不同时，则功率因数小于1。用户电器设备在一定电压和功率下，该值越高效益越好，发电设备越能充分利用。常用表示，功率因数
图：迟滞控制PFC升压电路图：迟滞控制PFC升压电路波形低边电流采样如果将采样电阻串联在开关管上为低边电流采样，如图和图所示。低边采样具有低的对地共模电压，R_SNS为高边采样电阻，当电流流过电阻时，该电阻上产生压降，使用电流放大器CA-*/CA-*将压降传送到低压侧，通过ADC转换成数字信号送入DSP或MCU，如图所示。也可以使用CA-*、CA-*/将差分电压信号传送到低边，通过MCU直接读取低压侧的数字信号，如图所示。该种采样模式由于高压侧参考对地，因此可使用隔离电源CA-*W，但是隔离电源输入和输出建议串接LDO或者滤波器连接至VDD2，这样依然有一定的成本。另外一种方式即电阻和稳压管串联的，这种方式比较经济。低边侧电流采样方式使用时有以下特点：1>供电相对简单，可以不使用隔离电源。2>如果使用隔离电源供电，要注意输入和输出侧使用LDO或滤波器，防止输入输出侧电压纹波干扰其他信号。3>正常工作时隔离栅电压很低，因此对一般情况下隔离栅承受应力很小。4>高边采样对于升压boost电路而言，开关周期内只能对电感充电电流进行监控和控制，PFCboost电路控制方式受限。图：低边电流采样示意图1图：低边电流采样示意图2低边电流采样PFC升压电路的控制方法●固定开关时间控制COT当电感电流触碰到指令电流后，电感电流停止充电开始放电，通过One-shot逻辑产生一个固定时间的脉冲宽度即一个固定的放电时间。当这个固定的时间完成，电感电流开始充电直至电感电流再次碰到指令电流。电感电流形成的包络线呈正弦波。包络线的平均值接近正弦波形。该模式下开关频率可变，随输入、输出、负载等情况变化。图：固定关断时间控制电路图：固定关断时间控制波形除以上控制方式除外，还有其他控制方式例如平均电流模式控制，谷值电流控制，固定开通时间（ConstantOnTime），电压控制模式等，本章不再详细叙述。●高边采样和低边电流采样对比分析电压采样由于PFC电路中需要对输入母线和输出电压做采样。采样输入母线电压用于获得输入电压的相位信息，采样输出电压用于负反馈回路，如图所示。当需要电压采样时，要注意输入电压的范围以保证输入采样得到的共模和差模电压在放大器的正常工作范围内。使用分压电阻将输入电压按比例降下来然后再送入电流放大器，必须满足以下条件：注：公式（3）非必须满足，使用DSP或者MCU滤波算法亦可实现数字滤波功能。VRange为放大器最大输入差分电压，Vbus为输入直流母线电压最大值,f_Vbus为输入直流母线电压频率。R3=R2//R1用来抵消放大器由于输入电流引起的失调电压。C1和R1，R2，R3组成低通滤波器对放大器输入电压进行滤波。详情请参看川土应用笔记《基于CA-*_的隔离母线电压检测方案》。采样输出压为了获得输出电压，用于负反馈控制，如图所示。当需要输出电压采样时，要注意输出电压的范围以保证输入采样得到的共模和差模电压在电流放大器的正常工作范围内。使用分压电阻将输入电压按比例降下来然后再送入电流放大器，必须满足以下条件：VRange为放大器最大输入差分电压，VOUT为输出电压,fs为变换器开关频率。图：升压电路电压采样图PCB设计范例低边电流采样PFC升压电路的控制方法●电流检测放大器应用于检测电流注意事项当电流检测放大器用于检测电流时，必须注意以下事项，如图所示：1>C1和C2为芯片供电提供储能和滤波功能，因此C1和C2紧靠芯片VDD1和VDD2引脚摆放。2>R_SNS为电流检测电阻，当电流流过该电阻时产生压降，该压降通过送入电流检测放大器。设计时尽量用差分走线方式。当差分线比较长时，可以采用R1和R2，C2做为滤波器，也可以减少差分线由于阻抗偏差造成的检测误差，因此R1=R2。3>INP/INN、OUTP/OUTN差分对容易受到干扰，设计时注意远离干扰源，一般为高上一篇：数据通信的“指挥官”！下一篇：射频天线实现和调试的最佳实践特别推荐技术演变正在进行：V2X架构当自主机器人化身小跟班一样的行李箱，让你省心省力如何通过改进IGBT模块布局来克服芯片缩小带来的热性能挑战如何提高充电桩的竞争力？从B型剩余电检测入手！不劳开发固件了！用这个*可实现USB-CPD3.0PPS技术文章更多>>RS-基础知识：失效防护偏置网络的两种方法什么是空间音频？它与双耳音频有什么关系？灯丝温度对于荧光灯的影响一份密封连接器的选型指南，请查收！理解和建模压电传感器技术*下载更多>>车规与基于V2X的车辆协同主动避撞技术展望数字隔离助力新能源汽车安全隔离的新挑战汽车模块抛负载的解决方案车用连接器的安全创新应用MelexisActuatorsBusinessUnitPosition/CurrentSensors-TriaxisHall热门搜索D-SUB连接器DVI连接器EEPROMElementEMCEMIEMI滤波器EnergyMicroEPBeptESCESDESD保护ESD保护器件ESD器件EurotectExarFairhildFFC连接器FlashFPC连接器FPGAFujitsuFutureGFIVEGPSGPUHartingHDMIHDMI连接器网站服务展会资讯关于我们联系我们隐私政策版权声明投稿信箱反馈意见：editor@eecnt*客服电话：-Copyright©*jdwx*深圳市中电网络技术有限公司版权所有家电电器维修维修电器修下载电源网电子发烧友网中电网中国工业电器网连接器矿山设备网工博士智慧农业工业路由器天工网乾坤芯电子元器件采购网亚马逊KOL聚合物锂电池工业自动化设备企业查询连接器塑料机械网农业机械高低温试验箱functionadsC(banner_id){$.ajax({type:"get",*:"
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。图1：功率因数定义对于没有PFC的升压电路，主要由整流桥电路，升压功率级以及控制电路组成，如图2所示。整流电路将市电(V/Hz)转化成直流电，整流后由于升压电路输入存在大电容(CBULK)造成有尖峰电流。另外，此时在输入市电侧产生畸变的电流iac，里面含有基波成分，也含有谐波成分。在该电路中，升压电路只控制输出电压VOUT，对输入电流没有任何调节。波形如图3所示：图2：整流桥+升压电路图3：整流桥+升压电路典型波形PFC电路将输入侧相电流也加入控制环路，对电流波形和相位进行调节，从而实现提高功率因数的控制。如图4所示。检测到的输出电压和输出参考电压进行比较，通过PI或PID将输出误差放大，放大后的信号和输入总线电压Vbus相乘，从而得到直流母线侧的电流的参考包络线，最后通过*可以在保证输出电压达到预定值的情况下母线电流*母线电压。该*有多种控制方法和架构，后面章节会讲述。注：忽略直流侧输入母线电压过低引起的电压无法转换问题，实际存在填谷电路。图4：整流桥+PFC升压电路高边电流采样电流采样一般分为高边采样和低边采样。高边采样具有比较高的对地共模电压，可以使用川土微电子的产品CA-*W做为隔离电源。R_SNS为高边采样电阻，当电流流过电阻时，该电阻上产生压降，使用电流放大器CA-*/CA-*将压降传送到低压侧，通过ADC转换成数字信号送入DSP或MCU。也可以使用CA-*、CA-*/将差分电压信号传送到低边，通过MCU直接取低压侧的数字信号。高边采样如图5和图6所示。图5：高边电流采样示意图1图6：高边电流采样示意图2高边侧电流采样方式使用时有以下特点：1>供电复杂，必须使用隔离电源。2>隔离电源输出地连接采样侧的低电压端，不能连接至功率级GND。3>使用隔离电源时要注意输入和输出侧使用LDO或滤波器，以防止输入输出侧电压纹波干扰其他信号。4>正常工作时高边侧供电隔离栅耐压为母线电压，因此对隔离器耐压是考验，最终影响芯片工作寿命。5>高边采样对于升压boost电路而言，可以对电感全开关周期内电流进行监控和控制，PFCboost电路控制方式多样灵活。高边采样PFC升压电路的控制方法●定频峰值电流控制电感峰值电流，定频率控制，如图7所示。输出电压和参考电压通过PI/PID进行比较放大，在和输入直流总线电压相乘得到总线电流指令值。控制逻辑通过比较器U2和触发器U1产生。如果开关管Q2开通，Q1关闭，那么电感电流ibus增大。K_ibus为ibus一定比例放大后的转换值。当电流K_ibus达到指令峰值VCOMP时,比较器U2输出高电平，重置触发器U1，此时开关管Q2关闭，Q1开通，电感电流放电直至触发器由于固定频率的脉冲而被置高。图7：定频峰值电流控制PFC升压电路如图8所示，工作于CCM(ContinuousCurrentMode)的升压电路，当电感电流触碰到指令电流后，电感电流停止充电开始放电，电感电流形成的包络线呈正弦波。包络线的平均值接近正弦波形。对于工作于DCM(DiscontinuousCurrentMode)的升压电压。电感电流触碰到指令电流后，电感电流停止充电并开始放电，当电流降至零时触发电流过零检测逻辑，开关管Q1关闭且保持关闭状态直至时钟信号触发下一开关周期的开关管通断。工作于峰值电流控制模式时，开关频率保持定值。图8：BCM峰值控制PFC升压电路还有一种介于DCM和CCM之间被称为BCM(BoundaryCurrentMode)，即电感放电至过零时，启动下一开关周期的通断，因此电路中需要电流过零检测(ZCD)环节。该模式下开关频率可变，随输入、输出、负载等情况变化。电路和波形分别如图9和图所示。图9：BCM峰值控制PFC升压电路图：BCM峰值控制PFC升压电路波形●迟滞控制迟滞控制(HysteresisControl)将被控量的上下限做为控制的参数。当电流碰到目标控制量上限时，电感电流开始放电，直至碰到控制量下限。该种控制将被控量控制在一定范围内，控制相对简单，频率不固定，控制电路如图，波形如图所示。图：迟滞控制PFC升压电路图：迟滞控制PFC升压电路波形低边电流采样如果将采样电阻串联在开关管上为低边电流采样，如图和图所示。低边采样具有低的对地共模电压，R_SNS为高边采样电阻，当电流流过电阻时，该电阻上产生压降，使用电流放大器CA-*/CA-*将压降传送到低压侧，通过ADC转换成数字信号送入DSP或MCU，如图所示。也可以使用CA-*、CA-*/将差分电压信号传送到低边，通过MCU直接读取低压侧的数字信号，如图所示。该种采样模式由于高压侧参考对地，因此可使用隔离电源CA-*W，但是隔离电源输入和输出建议串接LDO或者滤波器连接至VDD2，这样依然有一定的成本。另外一种方式即电阻和稳压管串联的，这种方式比较经济。低边侧电流采样方式使用时有以下特点：1>供电相对简单，可以不使用隔离电源。2>如果使用隔离电源供电，要注意输入和输出侧使用LDO或滤波器，防止输入输出侧电压纹波干扰其他信号。3>正常工作时隔离栅电压很低，因此对一般情况下隔离栅承受应力很小。4>高边采样对于升压boost电路而言，开关周期内只能对电感充电电流进行监控和控制，PFCboost电路控制方式受限。图：低边电流采样示意图1图：低边电流采样示意图2低边电流采样PFC升压电路的控制方法●固定开关时间控制COT当电感电流触碰到指令电流后，电感电流停止充电开始放电，通过One-shot逻辑产生一个固定时间的脉冲宽度即一个固定的放电时间。当这个固定的时间完成，电感电流开始充电直至电感电流再次碰到指令电流。电感电流形成的包络线呈正弦波。包络线的平均值接近正弦波形。该模式下开关频率可变，随输入、输出、负载等情况变化。图：固定关断时间控制电路图：固定关断时间控制波形除以上控制方式除外，还有其他控制方式例如平均电流模式控制，谷值电流控制，固定开通时间（ConstantOnTime），电压控制模式等，本章不再详细叙述。●高边采样和低边电流采样对比分析电压采样由于PFC电路中需要对输入母线和输出电压做采样。采样输入母线电压用于获得输入电压的相位信息，采样输出电压用于负反馈回路，如图所示。当需要电压采样时，要注意输入电压的范围以保证输入采样得到的共模和差模电压在放大器的正常工作范围内。使用分压电阻将输入电压按比例降下来然后再送入电流放大器，必须满足以下条件：注：公式（3）非必须满足，使用DSP或者MCU滤波算法亦可实现数字滤波功能。VRange为放大器最大输入差分电压，Vbus为输入直流母线电压最大值,f_Vbus为输入直流母线电压频率。R3=R2//R1用来抵消放大器由于输入电流引起的失调电压。C1和R1，R2，R3组成低通滤波器对放大器输入电压进行滤波。详情请参看川土应用笔记《基于CA-*_的隔离母线电压检测方案》。采样输出压为了获得输出电压，用于负反馈控制，如图所示。当需要输出电压采样时，要注意输出电压的范围以保证输入采样得到的共模和差模电压在电流放大器的正常工作范围内。使用分压电阻将输入电压按比例降下来然后再送入电流放大器，必须满足以下条件：VRange为放大器最大输入差分电压，VOUT为输出电压,fs为变换器开关频率。图：升压电路电压采样图PCB设计范例低边电流采样PFC升压电路的控制方法●电流检测放大器应用于检测电流注意事项当电流检测放大器用于检测电流时，必须注意以下事项，如图所示：1>C1和C2为芯片供电提供储能和滤波功能，因此C1和C2紧靠芯片VDD1和VDD2引脚摆放。2>R_SNS为电流检测电阻，当电流流过该电阻时产生压降，该压降通过送入电流检测放大器。设计时尽量用差分走线方式。当差分线比较长时，可以采用R1和R2，C2做为滤波器，也可以减少差分线由于阻抗偏差造成的检测误差，因此R1=R2。3>INP/INN、OUTP/OUTN差分对容易受到干扰，设计时注意远离干扰源，一般为高上一篇：数据通信的“指挥官”！下一篇：射频天线实现和调试的最佳实践特别推荐技术演变正在进行：V2X架构当自主机器人化身小跟班一样的行李箱，让你省心省力如何通过改进IGBT模块布局来克服芯片缩小带来的热性能挑战如何提高充电桩的竞争力？从B型剩余电检测入手！不劳开发固件了！用这个*可实现USB-CPD3.0PPS技术文章更多>>RS-基础知识：失效防护偏置网络的两种方法什么是空间音频？它与双耳音频有什么关系？灯丝温度对于荧光灯的影响一份密封连接器的选型指南，请查收！理解和建模压电传感器技术*下载更多>>车规与基于V2X的车辆协同主动避撞技术展望数字隔离助力新能源汽车安全隔离的新挑战汽车模块抛负载的解决方案车用连接器的安全创新应用MelexisActuatorsBusinessUnitPosition/CurrentSensors-TriaxisHall热门搜索D-SUB连接器DVI连接器EEPROMElementEMCEMIEMI滤波器EnergyMicroEPBeptESCESDESD保护ESD保护器件ESD器件EurotectExarFairhildFFC连接器FlashFPC连接器FPGAFujitsuFutureGFIVEGPSGPUHartingHDMIHDMI连接器网站服务展会资讯关于我们联系我们隐私政策版权声明投稿信箱反馈意见：editor@eecnt*客服电话：-Copyright©*jdwx*深圳市中电网络技术有限公司版权所有家电电器维修维修电器修下载电源网电子发烧友网中电网中国工业电器网连接器矿山设备网工博士智慧农业工业路由器天工网乾坤芯电子元器件采购网亚马逊KOL聚合物锂电池工业自动化设备企业查询连接器塑料机械网农业机械高低温试验箱functionadsC(banner_id){$.ajax({type:"get",*:" 
