一种无乘法器的小功率PFC芯片电路设计

论文摘要

随着电力电子技术的飞速发展,越来越多的电气设备加入电网。交流电源的供电系统在应用过程中会引入谐波电流,而谐波电流会带来很多负面问题,例如电压的失真,热噪声,降低线电压所能提供的能量等。一种行之有效的方法就是有源功率因素校正。本文就是根据小功率市场要求,采用TSMC 1μm 24V工艺设计了一款工作在临界导通模式的功率校正芯片XW8201。本文首先概述了PFC技术的原理和发展,介绍了几种基本的APFC电路的拓扑结构,然后详细分析并比较了两种常用的临界导通模式APFC电路控制模式。在此基础上,完成系统设计,电路设计,性能仿真验证。采用升压临界导电型方案,实现电流自动跟随电压,省掉了传统电路中的输入电压采样电路和乘法器电路,大大减小了芯片的面积和电路复杂程度。针对传统的功率因素校正芯片瞬态响应慢的缺点,设计了一种具有低带宽滤波功能和快速平滑输出瞬态响应能力的多输出矢量误差放大器。另外芯片内部还特别加入了一个优化电路,可以增大功率开关管在交流输入电压过零时的导通时间,优化输入交流电流的THD,进一步改善功率因数。此外芯片电路采用了最大导通时间可编程技术,用户可以根据实际需要来设置最大导通时间,从而使芯片应用更灵活。利用cadence软件结合TSMC高压1μm工艺对芯片的各个模块电路进行仿真验证。仿真结果表明,该芯片的各项指标满足设计要求,具有很好的功率校正控制性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 功率因数校正（PFC）问题的提出
• 1.2 功率因数校正的意义
• 1.3 国内外研究现状和发展趋势
• 1.4 本文所作的工作
• 第二章 功率因数校正（PFC）的概述
• 2.1 功率因数校正的基本理论
• 2.1.1 功率因数的定义
• 2.1.2 提高功率因数的方法
• 2.2 有源功率因数校正原理
• 2.2.1 功率因数校正中的基本变换
• 2.2.2 有源功率因数校正（APFC）工作模式
• 2.2.3 两种临界导电模式的控制方法及比较
• 2.3 临界导通模式PFC电路基本特性
• 2.3.1 临界导电模式 PFC Boost 开关变换器的输入电流
• 2.3.2 临界导通模式的稳态分析
• 第三章 XW8201 芯片设计与仿真
• 3.1 芯片设计背景
• 3.2 XW8201 系统设计
• 3.2.1 芯片功能描述和基本特点
• 3.2.2 芯片的系统框图及工作原理
• 3.3 XW8201 芯片的子模块设计与仿真验证
• 3.3.1 欠压锁定模块
• 3.3.2 多矢量误差放大器
• 3.3.3 电源供电模块
• 3.3.4 电流源电路
• 3.3.5 THD优化电路
• 第四章 XW8201 系统设计及仿真结果
• 4.1 XW8201 芯片的系统设计
• 4.1.1 设计指标
• 4.1.2 外围电路参数设计
• 4.2 XW8201 芯片的系统仿真结果
• 4.2.1 输出电压、输入电流和输入电压波形
• 4.2.2 系统THD优化仿真波形
• 4.2.3 系统逻辑仿真波形
• 第五章 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 研究成果