1引言
功率因數(shù)校正（PFC" title="PFC">PFC）技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)各種電源裝置電網(wǎng)側(cè)電流正弦化，使電網(wǎng)資源得到充分利用，基本上消除負(fù)載對電網(wǎng)、負(fù)載對負(fù)載之間的高次諧波污染，凈化電網(wǎng)。單相PFC已進入實用階段，實現(xiàn)方式多種多樣，較為常見的有用UC3854為控制IC設(shè)計的3kW以下的PFC電路，但該電路較為復(fù)雜，外圍元件多，特別是小功率的應(yīng)用，如150W，該電路就顯得復(fù)雜，成本高。本文介紹了用TOPSwitch設(shè)計的功率150W以下簡捷的PFC電路設(shè)計。
2TOPSwitch在PFC中應(yīng)用的設(shè)計原理
TOPSwitch為三端脈寬調(diào)制（PWM" title="PWM">PWM）開關(guān)，實現(xiàn)相同的功能，TOPSwitch外圍元件最少。并且TOPSwitch具有開關(guān)電源所有必須的功能，內(nèi)含功率MOSFET，PWM控制器，內(nèi)起動電路，環(huán)路補償和熱關(guān)斷電路。所以它能使電源電路得以進一步簡化，縮短設(shè)計時間，此為TOPSwitch設(shè)計的最大優(yōu)點，并且TOPSwitch設(shè)計電源電路保證高的電源效率。
圖1為一個簡單的應(yīng)用TOPSwitch設(shè)計的升壓型PFC電路，TOPSwitch工作頻率為100kHz，遠(yuǎn)高于電網(wǎng)頻率，通過電源濾波器在電網(wǎng)側(cè)可以實現(xiàn)正弦輸入電流波形，并且與輸入電壓的波形同相。這個電路在提升電感上產(chǎn)生的波形示意圖如圖2所示。虛線為經(jīng)過電源濾波器在電網(wǎng)側(cè)出現(xiàn)的電流波形。該波形就是開關(guān)管工作在電流斷續(xù)狀態(tài)下產(chǎn)生的。在提升電感、TOPSwitch和提升二極管上的電流IL、IT、ID如圖3所示。在這個電路中IL=IT＋ID，IL的電流波形即為IT和ID電流波形的簡單疊加，圖4為平滑后的理想波形，圖5為實際測試的波形。從圖中可以看出，在固定周期的情況下，它的電流與正弦電流相差較大，經(jīng)過補償后的輸入電流實際測試波形如圖6所示。總諧波失真（THD）不超過18％，功率因數(shù)（PF）為0.978。
圖1應(yīng)用TOPSwitch設(shè)計的升壓型PFC電路
圖2流過提升電感的電流波形示意圖
圖3IL、IT、ID波形
圖4理想波形
圖5實測波形
圖6經(jīng)補償后的實測電流波形
TOPSwitch各開關(guān)周期的平均值IT(avg)可用公式（1）和（2）計算出來。公式中T為一個工作周期，IPK為TOPSwitch峰值電流，Uin是各個開關(guān)周期整流后交流輸入電壓瞬時值，fS是開關(guān)頻率，LP是自感系數(shù)。
IT=IPK(T/2)(1)
第N個開關(guān)周期二極管上電流平均值ID（avg）用公式（3）求出，UO為直流輸出電壓，
這兩個平均電流之和為電感電流平均值IL（avg）。交流輸入瞬時電壓，要求一個平均電流值與其對應(yīng)。這個平均電流值將被作為100kHz開關(guān)電流波形的平均值來校正，與其相應(yīng)的，可采用隨輸入電壓瞬時值調(diào)占空比D的方式，即預(yù)補償" title="預(yù)補償">預(yù)補償。工作周期T可用公式（5）進行計算。
3預(yù)補償原理
對MOSFET用恒頻恒占空比控制方式的缺點，如圖7所示，在一個開關(guān)周期內(nèi)IL平均值不隨整流后電壓瞬時值線性變化，即：輸入電壓瞬時值上升后，平均值上升更快。這樣經(jīng)過電源濾波后，產(chǎn)生如圖4所示的非正弦波形，為了使電流波形進一步正弦化，可以采用預(yù)補償?shù)姆绞?，即采用恒頻非恒占空比的控制方式。
產(chǎn)生這種結(jié)果的原因是：在TOPSwitch的整個工作過程中，提升電感上的電流是TOPSwitch上電流和提升二極管電流的代數(shù)和（見公式IL=IT＋ID），TOPSwitch上的電流隨著整流后的輸入電壓呈線性關(guān)系，平滑后是正弦電流?？墒翘嵘O管上的電流隨著輸入電壓的升高迅速上升，呈非線性關(guān)系，平滑后不是正弦電流。這樣疊加的結(jié)果使提升電感上的電流就不是正弦的。因為提升二極管上的電流不受控，所以要想改善提升電感上電流波形，就只能通過控制IC改善TOPSwitch的電流波形，使TOPSwitch上的波形不是一個正弦波，來補償提升二極管不是正弦波的缺陷。這個問題是很多無乘法器的控制IC在boost電路中普遍存在的問題，這些都可以通過預(yù)補償?shù)姆绞降靡愿纳啤８纳频年P(guān)鍵就是選擇合適的預(yù)補償電阻。
在輸入高電壓時減小IT的占空比，這樣使得IL的波形就不再是像圖4所示。經(jīng)過補償?shù)碾娏鞑ㄐ稳鐖D6所示，這樣IL的波形已經(jīng)近似于正弦波，電路原理圖如圖8所示，通過預(yù)補償電阻R1和直接輸出電壓檢測電路控制流入TOPSwitch控制腳的電流，使TOPSwitch的調(diào)制方式變成恒頻非恒占空比的方式，達到較為理想的PFC。占空比隨瞬時輸入電壓變化呈線性關(guān)系，TOPSwitch具有電流線性控制占空比變換器，當(dāng)流入TOPSwitch控制引腳的電流在2.0～6.0mA范圍內(nèi)增大時，TOPSwitch的占空比將從67％下降到1.7％，所以通過預(yù)補償電阻來控制部分TOPSwitch控制引腳的電流來控制占空比。預(yù)補償電阻的選擇是很重要的（后文對預(yù)補償電阻的選擇有論述）。當(dāng)整流后的電壓最低時，TOPSwitch的控制引腳通過預(yù)補償電阻R1泄放電流，使流入控制引腳的電流減小，這時TOPSwitch的占空比最大；隨著整流后的輸入電壓的增高，流入TOPSwitch控制引腳的電流
圖7預(yù)補償前后TOPSwitch上的電流示意圖
圖8有預(yù)補償?shù)膽?yīng)用TOPSwitch的PFC電路原理圖
也將逐漸增加，TOPSwitch的占空比逐漸減小，當(dāng)輸入電壓達到最高時，TOPSwitch的占空比最小，這就完成了恒頻非恒占空比的控制方式。在示意圖圖7中可以看出，預(yù)補償以后，由于TOPSwitch上的電流減小了，使得在提升電感上的電流三角形的面積小于預(yù)補償以前的，電流的平均值也就減小了，平滑后的電流波形也就接近正弦波形了，如圖9所示。占空比隨著瞬時輸入電壓的變化而變化。這時THD<7％ ， PF為 0.98。 4 元 器 件 的 選 擇 與 參 數(shù) 計 算
?。?）TOPSwitch的選擇表（見下表）
| 型號 | PFC輸出功率 | 型號 | PFC輸出功率 |
|---|---|---|---|
| TOP221 | 0～25W | TOP225 | 45～100W |
| TOP222 | 20～50W | TOP216 | 60～125W |
| TOP223 | 30～75W | TOP227 | 75～150W |
?。?）預(yù)補償電阻R1的計算
可利用公式（6）進行計算預(yù)補償電阻R1（kΩ）
R1=APWM/SDV(6)
式中APWM是TOPSwitch占空比控制電流增益，為百分之十幾/mA（一般典型值為16％/mA），SDV是測試的交流整流后的輸入電壓與占空比直線的斜率，可定為SDV=－0.067％/V，預(yù)補償電阻R1也可以通過曲線計算出來，直流輸出電壓曲線和預(yù)補償電阻的關(guān)系如圖10所示。
?。?）電感線圈的計算
圖9有預(yù)補償平滑后的電流波形
圖10預(yù)補償電阻與直流輸出電壓的關(guān)系曲線
電感值在設(shè)計中是至關(guān)重要的，可以通過查曲線的方式得到電感值。電感值的曲線如圖11所示。
圖11提升電感值與輸出功率、直流輸出電壓的關(guān)系曲線
5結(jié)論
150W以下的PFC在各項指標(biāo)均接近的情況下，用TOPSwitch實現(xiàn)，只用17個元件；用UC3852實現(xiàn)為23個元件；用KA7524實現(xiàn)為27個元件。而且TOPSwitch的電感不需要輔助繞組，電路簡單緊湊。