基于UCC28180的有源功率因数校正(APFC)模块设计

基于UCC28180的有源功率因数校正(APFC)模块设计
李森;李翠华;赵文群
【摘要】文中设计一款基于UCC28180芯片的低功耗高功率因数的有源功率因数校正模块来提高装置的功率因数,该模块最大输出功率为500 W.与现有APFC方案相比较,APFC控制器的功耗减少50％左右,功率因数校正超过0.95,可广泛应用于
工业空调、照明、家用及办公电器等设备和场合.经过spice软件仿真,证明了设计
的正确性和可靠性.
【期刊名称】《通信电源技术》
【年(卷),期】2017(034)004
【总页数】3页(P103-105)
【关键词】APFC;UCC28180;功率因数校正
【作者】李森;李翠华;赵文群
【作者单位】青岛大学自动化与电气工程学院,山东青岛266071;青岛大学自动化
与电气工程学院,山东青岛266071;青岛大学自动化与电气工程学院,山东青岛266071
【正文语种】中文
开关电源等电力电子装置在给工业生产和社会生活带来便利的同时也带来一些负面问题。

传统二极管整流桥不可控容性整流，存在输入电流不是正弦波含有大量谐波、功率因数很低等缺点。

本文设计一款基于UCC28180芯片的低功耗高功率因数的有源功率因数校正模块来提高装置的功率因数。

在提高装置功率因数、减少谐波的
同时还可为后级电路提供升压。

与现有APFC方案相比较，APFC控制器的功耗减少50%左右，功率因数校正超过0.95，可广泛应用于工业空调、照明、家用及办公电器等设备和场合。

UCC28180是TI公司生产的一款用于功率在100 W至几千瓦范围，可在18 kHz～250 kHz范围内进行频率编程，在连续导通模式(CCM)下通过使用平均电流模式进行功率因数校正的低功耗有源功率因数校正(PFC)芯片，其最高占空比为96%。

UCC28180芯片带有多种系统级保护，包括输出过电压保护、VCC欠压锁定(UVLO)、峰值电流限制、软过流保护等。

图1为基于UCC28180的有源功率因数校正电路。

基于UCC28180的有源功率因数校正模块输入输出参数如表1所示。

2.1 整流桥选型
根据输出功率POUT，满载效率η、功率因数λ和最低输入电压的有效值
UIN(min)可计算出最大输入电流有效值为:
由最大输入电流有效值可计算出输入电流的峰值和平均值分别为：
IINAVG(max)=IINPK(max)sin(w t)d(w t)=2.809 A
整流桥承受的最大反向电压为：
预留50%的安全裕量，整流桥承受的最大反向电压为：
由公式(2)、(3)和(5)可知整流桥二极管承受的平均电流、峰值电流和最大反向电压分别为2.809 A、4.412 A和509 V，所以本设计采用KBL608扁形整流桥，其承受的最大反向峰值电压为800 V，承受正向电流平均值为6 A。

2.2 频率电阻计算
用户可以通过改变FREQ引脚所接电阻阻值大小来对UCC28180的开关频率进行编程。

可以使用fTYP(65 kHz)、RTYP(32.7 kΩ)的恒定缩放值来计算选择合适的电阻值，本设计所选用的开关频率fS=150 kHz，RINT=1 MΩ。

本设计选用标称值为14 kΩ电阻。

2.3 升压电感设计
UCC28180芯片工作在连续电流工作模式(CCM)，需要确定电感纹波电流，本设计设定电感电流的纹波系数ΔIRIPPLE=20%，所以电感纹波电流为：
所以电感的最大峰值电流为：
根据电感计算公式，当占空比D=0.5时可以求出最小电感量为：
本设计电感实际取值为1 mH。

2.4 输入电容计算
已知电感电流的纹波系数ΔIRIPPLE=20%，假设高频输入电压纹波系数
ΔURIPPL E=7%，由公式(7)可得电感纹波电流IRIPPLE=0.8824 A，最大输入电容CIN为：
CIN== μF=0.41 μF
本设计采用0.047 μF/400 V薄膜电容。

2.5 输出电容计算
假设本系统在掉电后的一个周期内输出电压不低于350 V，最小输出电容按以下公式计算可得：
COUT≥==587 μF
本设计采用标称值为680 μF/450 V的电解电容。

2.6 电流检测电阻计算
根据UCC28180芯片数据手册可知软过流保护SOC的最小阈值电压
USOC(min)=0.259 V，为了避免在正常情况下误触发，ISENSE引脚的软过流保护电流阈值应大于电感最大峰值电流10%，电流检测电阻计算如下：
本设计选用0.05 Ω电阻，可以计算出电流检测电阻的消耗功率为：
本设计采用0.05 Ω/2 W无感水泥电阻作为电流检测电阻。

实际电压电流会产生尖
峰脉冲，当电流通过电流检测电阻在RSENSE的电压等于峰值电流限制保护PCL
的阈值UPCL时，PCL保护功能被触发。

在最恶劣的情况下，根据UCC28180芯片的数据手册可知UPCL(max)=-0.438 V，所以峰值电流限制保护的电流峰值计
算如下：
为防止冲击电流和提高ISENSE引脚的抗干扰能力，需要在ISENSE引脚串联一个220 Ω的电阻并且并联一个1 000 pF电容。

2.7 开关管选型
开关管通过的电流计算公式：
=× A=1.81 A
本设计选用最大耐压值650 V，最大导通电流20 A的MOSFET作为开关管。

2.8 续流二极管选型
APFC主电路采用BOOST升压结构，输出电容大，续流二极管不仅需要具有承受电感的最大峰值电流和最大反向输出电压的能力，还要具有反向恢复时间快的特点从而降低损耗。

综合各项参数，本设计选用碳化硅肖特基快恢复二极管，虽然价格贵了一点但极大地降低了功率损耗。

2.9 输出电压设定
本设计采用反馈分压电阻RFB1=1 MΩ,已知电压误差放大器的参考电压Uref=5 V，所以电阻RFB2的阻值为：
RFB2==12.658 kΩ
本设计选取RFB2=12.6 kΩ标称电阻，代入公式(18)计算可得输出电压
UOUT=401.8 V,符合设计要求。

在USENSE引脚必须添加一个小电容滤掉噪声，但需使时间常数RC限制在10 μs 以下，以便不会对输出电压的调节响应造成影响，电容CVSENSE经计算为：
本设计采用标称值为820 pF的独石电容。

2.10 环路补偿设计
由C2提供电流控制环路电流检测信号的补偿和平均，电压环补偿网络由R2、C4和C5组成，根据芯片手册可计算出，在此不再赘述。

本设计中经计算得出C2=3 300 pF，R2=17.6 kΩ，C4=0.56 μF，C5=3.9 μF。

本设计采用spice软件进行建模，在带100 W阻性负载的情况下进行了仿真。

图2为输入220 V交流时输入电压与电流的波形图，从图中可以看出电流与电压相位基本相同功率因数接近于1。

图3为输入180 V交流时APFC输出直流电压波形，图4为输入220 V交流时APFC输出直流电压波形，从图中可以看出输出电压大约在400 V左右满足设计要求。

通过仿真实验的结果进一步证明了本设计的正确性和合理性。

【相关文献】
[1] 陈永真，陈之勃.反激式开关电源设计、制作、调试[M].北京：机械工业出版社，2014.
[2] 汪定华.低待机功耗的高功率因数电源模块的设计[J].电子科学技术，2014,1(2):138-143.
[3] Texas Instrument.UCC28180:8-Pin Continuous Conduction Mode(CCM) PFC Controller[Z]. 2013.
[4] 王兆安.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2013.。