ETC KA7526

第 二代功率因数校 正fPFc)控 制器
KATm6原 理 与应用
北京韶光科技有限公司
随着谐波限制标准和 电磁 兼容 (EllC)法 规 的陆续实施 ,有 越来越多的电子整流
器和开关电源采用 了功率 因数校正 (PFC)预 变换级 电路。大家知道未采取 PFC措 施
的常规桥式整流和铝 电解电容滤波电路,只 有在交流输入电压峰值 附近 ,整 流二极管
才会因正向偏置而导通 ,致 使输入 电流波形出现严重失真 ,不 在为正弦波,而 呈不连
续的高幅值尖峰脉冲,如 图 1所 示。%
Vp
o
V,I
0
(al桥 式 整 流 电容滤 波 电路
(b)电
压与电流波形
这种 非止 弦电流的基波成分很低 ,而 高次谐波分量和谐波总量 (THD)远 远超过
IEC10O0-3-2等 标准的规定限值 。过 高的 电流谐波不仅会对 电网造成污染 ,影 响其他
电器设备的安全 经济运行 ,而 且还会 导致 线路功率因数下降 (一 般仅为 0.5ˉ 0.7),影
响交流电源的利用率。
为抑制输入 电流的波形畸 变,提 高系统功率因数 ,必 须采用 PFC措 施 。PFC也 称
为谐波滤波 ,分 无源和有 源两种类型。无源 PFC电 路简单 ,成 本降低 ,但 效率较差。
。
PFC预
了便利。本
调整器提供
IC的
设
性能的有源
PFC控
出现 ,为 计高
各种有 源
制器
d电
FairchⅡ
子公 司生产的低成本经济型 PFC控 制器 KA7526,只 需很少
文介绍的美国
量的元件 ,就 可 以组成高性能价格低的有源预变换器。
一, 7526内 部结构 ,引 脚功能及特`点
1.内 部结构及 引脚功能
BDP
KA7526采 用 8脚 DIP
和 8脚 S0P封 装 ,其 外形
与 引脚 排 列 如 图 2所 示 。
苠 蓦龛 属 :sOP
数 字 电路 于 擘
主 要 包括 误 差放 大器 ,一 象
限 乘 法 器 ,电 流传 感 比 较
器 ,零 电流检 测 器 ,过 电压
比较 器 ,逻 辑 电路 及 推拉 式驱 动输
出级 等 ,如 图 3所 示 。KA7526的 各
个 引脚 功 能如 表 1所 示 。
2.主 要 特 `虽
ΚA7526主 要 功 能特 `点 如 下
￠
:
-46-
图2
ΚA7526外 形封装及 引脚排列
(1)电 压调整能力强 ,能 使 PFC预
变换器的 AC输 入电压从 90V到 270Ⅴ 变化 ,无 需
电源选择开 关 ,适 用于国际交流供 电线路 。
(2)控 制 系统功 率 因数 非常接 近 于 1(不 低 于 0.99),输 入 电流
谐波含量满足
IEC1000-3-2等 标准的限制要 求。
(3)在 断续传导模式 (DCNl)下 工作 ,履 行精密电流型控制和零电流开 (ZCS),具
关
有
非常 小的开关损耗 。
(4)具 有 Ⅴ
cc欠 电压锁定 ,PFC预 变换器 DC输 出过电压保护 ,软 启动 ,驱 动输 出
钳位及误差放 大器与乘法器输 出钳位 等功能。
(5)内 置电流传感前 沿消隐电路 ,省 略 了外部 RC低 通滤波器
,减 少 了外部元件的
数量。
(6)启 动电流 (典 型值仅约 0.2mA)和 工作 电源电流 (典 型值仅约 4岫
)低 。与在
90年 代初 问世 的 SG3561A和 ΚA7524等 PFC IC比 较 ,Κ A7526在 性能上有较 大
的改善 ,故 被 业 内称之 为第二代有源 PFC控 制器。KA7526的 内部结构及主要
电气特性与 NlC33262,TDA4862和 LX1562等 IC基 本相 同,但 KA7526的 性价比
较 高,且 在 国内易于购买。
名
l
INⅤ
称
A OUT
2
E。
3
MULT IN
C.S
IDET
5
GND
^同
脚号
功
匕匕
表 一 KA7526引 脚 功能
误 差放 大 器反 向输 入 ,PFC升 压 变换 器输 出应 分 压
2,5V连 接 到 该脚
误差放大器输出,一 个反馈 补偿 网络置 于该脚与 INⅤ
脚之 间
输入到乘法器,全 波整 流输 出电压被分压取样连接 到
该脚 。
输入到 PⅢ 比较器,通 过 PFC升 压 变换 器 中 MOsFET
的 电流被源极电阻检 测输至该脚 ,IC内 部的前 沿消隐
电路能抑制 出现在 电流波形上的高频噪声 。
当升压电感器辅助绕组电压 降落到 1.8V以 下时,零 电
流检 测器监测电感器电流
所有引脚 的地电位
0UT
高电流容量功率驱动器输 出,驱 动 MOSFET的 栅极
Vcc
IC逻 辑 和控 制 (电 源连接 )脚
′
二。主要 电器特 性参数
为了正确使 用 KZ7526设 计有 源预变换器,必 须 了解其 电气参数。为防止 IC在 应
用 中损坏 ,保 证 IC在 合适 的工作条件下运行 ,不 能超过表 2所 列的最大额定值 (或
范围
KA7526电 源 Ⅴcc启 动 门限电压是 10Ⅴ ,带 2.5Ⅴ 的欠压 自锁 (UVI'Ol滞 后 ,钳 位电
压是 36V,误 差放大器和乘法器的输入偏置电流范围为-0.5ˉ 0,5uA,电 流传感 比较器
和零 电流检 测器的输入偏置电流范 围为-1ˉ 1uA,乘 法器脚 3输 入 电压 Ⅴ
m1范 围是
0ˉ 3.8Ⅴ ,脚 2输 入 电
压 Vm2范 围从 Ⅴref(2.5Ⅴ )到 Ⅴref+2V。 误差放大器脚 1输 入 门限电压是 2.5Ⅴ ,输 出电
压范围为 厂4.5V.零 电流检测器输入 门限电压 为 1.8Ⅴ ,输 入低钳位 电压 为 0,75Ⅴ .输
7
)。
1。
-47
入 高钳位 电压 为 7.5Ⅴ 。
输 出驱动器输 出低电平为
130ns,下 降时 间为 50ns。
表二 KA7526的 主要极限参数
参数名称
cc)
峰值 驱动输 出电流
误 差 放 大 器 ,乘 法
器,比 较 器及 零 电流
检 测 器输 入 电压
工作 温度范围
Ⅴ
十 5oo
mA
-0.3~6
Ⅴ
0~105
-65~+150
℃
C.
W
nυ
贮存 温 度 范 围
功 率耗散
9V,上 升时间为
单位
nυ
电 源 电压
额 定值
(Ⅴ
0.8Ⅴ 。
输 出高电平为
三。基本功作原理
KA7526只 需外加很少量的元件 ,就 可 以组成升压型有 源 PFC变 换器,如 图
3。
’
软软入 具 展 排 入 具
κ÷
vm】 ˇ~m2ˉ ˇmo
图 3KA7526内 部 结构及功能原理
在 图 3所 示的电路 中,以 KA752‘ 为 中心的 PFC升 压 变换器,置 于桥式整流器 rVD1ˉ vD4)
和铝 电解 电容器之 间。C1用 作滤除 高频噪声 ,L】 为升压 电感元件 ,VD6升 压二极 管,Q1
-48-
为功率开关 lNlOsFED,R1与 R2为 PFC输 入电阻分压器,R6与 R7组 成 PFC输 出分压器,Q1
源极 串联 电阻为 电流检 测元件 ,L1的 副边绕组用做 高灵敏度 的传感器。
C1容 量一般小
于 1uF,如 果 C1选 用大容量的电容器,由 于 KA7526脚 3检 测到的 AC输 入 电压取样信 号
波形会失真,PFC变 换器的功能则因失控 而丧失。
有 源 PFC预 变换器之 所 以选用升压拓扑,主 要是 由于在一定的输 出功率及 电压 下
输 出电流较 小,从 而可使用较小的输 出滤波电容,同 时也有利于减小升压 电感的体积
有 源 PFC升 压 变换 器的工作原理基于升压扼流 圈 L1中 电流与电压之 间的物理关
系。接通 电源后 ,流 经 R3的 电流对 C3充 电,当 C3上 电压上升到 KA7526脚 Ⅴcc的 门限
以上 时,IC启 动 ,功 率 MOSFET(Q1)开 始 开 关,一 旦 IC进 入 稳定状 态,L1的 次级 绕
组,R5,VD5和 C3组 成泵 电源电路 ,为 IC脚 8提 供直流工作 电压。L1
的辅助绕组 同时兼作 KA7526零 电流检 测器的传感器。AC输 入 电压经全桥整 流和 R1与
R2分 压取样 ,通 过脚 3输 入到乘 法器;PFC生 压 变换器 DC输 出电压 Ⅴo通 过 R6和 R7
分压 ,经 脚 1输 入误 差放 大器。乘 法器的输 出电压 (洳 O)与 脚 3输 入 lVm1)和 脚 2输
出 (Vm2)的 乘积成正比(比 例系数即为乘 法器增益 K)。 Q1源 极 电阻用作检测通过 L1(及
QD的 峰值 电流 ,乘 法器的输 出电压 ⅤnlO控 制电流传感比较器的 门限 ,迫 使峰值 电感
电流跟踪 AC输 入 电压按正弦规律变化 的轨迹。流过 L1的 高频三 角波 电流被 IC的 零
电流检测器监控 。只要 电感 电流一降至零 电平 ,IC内 锁存器被置位 ,驱 动 Q1导 通。
在 Q1开 通过程 中,VD6则 一直截止 。当电感 电流沿向上的斜坡达到峰值后 ,由 乘法器
输 出建立 的 门限电平将指令 Q1关 断。在 Q1关 断时,L1中 的储能将使 ⅤD6正 便导通
向 Co释 放 。在 电感 电流沿向下的斜坡落到零 电平之 前 ,Ⅴ D6则 一直导通。只要 电感 电
流一降至零 ,IC将 驱 动 Q1再 次导通 ,下 一个周期重复开始 。在 Q1开 通和关断期间
电流流向如 图 4所 示。
,
.
,
,
s2(VD6
L1
(a)Q1导 通
(bl Q1关 断
图 4PFC电 路功率开关开通和关断时 电流流向示意图
在 电感 电流两个周期之间存在一个没有 电流 的间隙,但 不存在 死 区时间。这就意
味着通过整流二极管的 电流连续流动 ,在 AC电 源的整 个半周期 内,二 极 管导通角趋
于180尾 。
图 5为 PFC变 换器 MOSFET栅 极驱动电压 Ⅶ ,电
感 电流 IL,AC输 入 电压 ⅤIN及 全波整流平均 电
流 IR(即 AC平 均输入 电流)波 形。
峰值电感电流
恰为整流输 出平均 电流的 2倍 ,峰 值 电感 电流
恰为整流输 出平均 电流 的 2倍 ,峰 值 电感电流
的包迹波正比于 AC输 入电压 的变化。PFC
变换器的工作 频率随 AC输 入电压和负载 而变化
和整流电压
-49-
吣盯氵⒊
图 5MOSFET电 感 电流 ,输 入 电压
,Q1的 关断时间取 决于 DC输 出电压 与 AC输 入 电压之差值。为保证 PFC升 压 变换器开
关频率 不降至可听见的音频范围并保证变换 器稳定工作 ,一 般要求 DC输 出电压至 少
比峰值 AC输 入 电压 高 15%(一 般达 25%ˉ 30%)。 对于 220V的 AC输 入 ,一 般将 PFC升
压变换器的~DC输 出电压设 定在 40Olr.
由于 KA7526的 控制作用 ,在 桥式整流器输入端产生一个与 肥 输入 电压趋于同相
位的正弦电流 ,使 负载昱纯组性 ,将 线路 功率因数提 高到几乎等于 1的 水平 ,总 谐 波
电流畸 变率 (THDl被 限制在 10%之 内。同时在 pFc升 压 变换器输 出端产生一个经调整
的稳定 DC电 压 ,其 纹波很小 ,且 呈正弦波 ,频 率为工频的 2倍 (即 100HZ),
四 ,应 用 电路及主要 元件的选取
r
1.典 型应用 电路
图 6为 用 KA7526作 为控制 器的 32W双 管 荧光灯电子整 流器有 源 PFC预 变换器 电
有 源 PFC升 压变换器输 出
路。在桥式整流器的输 出端 ,设 置 了电磁千扰 ⑴MI)滤 波器。
为 电子整流器半桥逆变器 电路有 源 PFC升 压 变换器的 AC输 入电压范围为 90ˉ 270V,DC
输 出电压 Ⅴ0〓 400Ⅴ 0半 桥逆变器中的开 关 Q2和 Q3,也 可 以采用 KA7540/7541″ 543型
IC驱 动。
2.主 要元件选取
L1是 非常关键 的元件 ,其 参数对 PFC升 压 变换器的技术指标具有 决定性影响。L1的
电感量 由下式决定
:
L=
V1NPl
×(Ⅴ 0-Ⅴ INP)
×y
4× P0× V0× f
公 式 中 。VINP为 峰值 AC输 入 电压 ,Ⅴ 0为 PFC变 换 器 DC输 出电压 ,y为 变换 器的 效
率 ,P0为 输 出功 率 ,f为 变换 器的 工 作 频 率
设 y=95%,f=25KHz,且 Ⅴ0=400V,P0=32衤 2=64W,将 最 高峰 值 AC输 入 ⅤINP(ma妨 =270× y了
和 最 低峰值 州 输 入 电压 ⅤINP
lnlin)〓 90×
/丁
-50-
=127Ⅴ 分别 带入公 式
(1)中 可得 到
:
L=
L=
3822× (400-382)× 0,95
4× 64× 400× 25×
1272×
1000
=0975mH
(400-127) ×0.95
4× 64× 400× 25×
1000
=l° 63mH
选取 卜 1.2mH.当 选用 EI2820磁 芯和 Φ0.45mnl绝 源导线时,L1的 初级绕组 Np=100匝
次级绕组 Ns=5匝 。
,
(2)乘 法 器输 入 (脚 3)分 压 电 阻 R1,R2,R3的 选 取
M7526脚 3输 入 咖 2《 3.8V,Ⅴ I呷 lnlax)=382Ⅴ ,故
≈ 1
R3 ( 3.8Ⅴ
R1+R2+R3
382V
1oo
R1+R2/R3=99
若取 R3=220KΩ ,刀 刂R1+R2≈ 2.2MΩ 。
(3)电 流检 测电阻 R8的 选择
乘法器输 出控 制脚 4的 门限 ,限 制最大峰值 电感 电流。最大峰值 电感 电流可由公 式
(3)求 出
ILP(max)=4× Po/(Ⅴ INP(min) ×y)
:
=4× 64/(90× 1.414× 0.95)
=2.21A
。
乘 法器在 最低 AC输 入 电压 下的最 高输 入 电压 为
Ⅴ
MI铽 2× 90V歹 /(R卜 R2)
=22× 9θ ×1.414/(2200+20)
:
=1.257V
乘 法器 的输 出电压 为 :l/Nl0=k× Ⅷ l× [Ⅴ EA0(眦 x)-VREF]
式中,Κ =0,8,为 乘法器增益;VEA0(nla Ⅹ
)=4。 5Ⅴ ,为 误差放 大器最 高输 出电压;Ⅴ RE卜 2.5V,
IC的
为
参 考 电 压 ,又 VMI=1.257Ⅴ ,代 入 公 式 (4),可 得
Ⅴ
M0〓 0.8× 1,257× (4.5-2.5)=2.01Ⅴ
于是 ,电 流检测电阻 R8的 数值为
R8夕 Ⅴ
M0/ILP⒃ ax)=2.01/2.12=0.948Ω
选取 R8=】 Ω/1W的 金属膜 电阻。
(4)误 差放 太器外接元件 的选取
误差放大器同相输入端连接 参考 电压 姝EF∶
R11/(R9+R10+R11)=VREF/Ⅴ 0=2.5Ⅴ /400Ⅴ =l/16o
若取 R9+R10=1.2MΩ ,R11=R8+R9/159=7.55KΩ .R11选 用 10KΩ 的可调 电阻。
C6用 作 抑 制输 出电压 Ⅴ0的 纹 波 (fq=100Hz),设 在 100Hz上 抑 制 40db(即
0.01),C6由 下式决定
1/(2π ×fo× R8× C6) =0.01
C6=100/(2π ×fo× R8) =100/(2× 3.14× 100× 1.2× 10^6)⊥ 0.13uf
:
:
:
-51-
选 取 C6=0.1uf.
Q1选 用 500Ⅴ ,4.5A的 IRF830A或 500Ⅴ ,6A的 QFP6N50型 功 率 MOsFET。 生 压 二 极
管 VD6选 用 25ns的 BYⅤ 26C或 MUR640E型 快速 恢 复 二 极 管 ,也 可 选 用 1N4937。
Ⅴa1ue
R7
47
R8
1
R9+R10
1.2M
10K
0.15uf/630Ⅴ
2200pf/3000v
2200pf/3000v
R3
R4
R5
R11
C1
C2
C3
Ⅴa1ue
0.1uf/630Ⅴ
C5
47uf/25Ⅴ
C6
0.1uf
0.01uf
47uf/450Ⅴ
1N4007
BYV26C
C7
C8
VD1
VD5
ⅤD4
ⅤD6
Q1
L1
ˇ0
R6
2.2M
22K
150K
3.3/2.5W
22K
Reference
刀△
冖ι
Reference
R1+ R2
FUSE
-52-
1N4148
IRF830A
100mH
1.2mH(5T∶ 100T)
3A