基于UCC28180 BOOST PFC开关电源前级电路设计

王瀚威 薛冰洁 张权威 臧侃

（大连交通大学 机械工程工程学院 辽宁省大连市 116028）

1 引言

随着世界经济全球化和我国国民经济的飞速发展，各行业对电力电子设备的需求越来越大，品质要求也越来越高。继开关电源发展以来，因其高效性、稳定性，在多个领域逐步取代线性电源，成为现在的主流，常见于各大工厂、实验室设备，手提电脑等。小体积，高效率，高稳定性是开关电源发展中一直追求的目标。在设计电源时，每一个参数的改变，都会对输出产生影响，因此也可能会造成部分输出电压不稳定的困扰，为解决该问题，很多情况下可以采用优化控制回路的方法，对电压信号进行监测和控制，使得输出信号快速达到稳定的输出条件。

稳定的前级电路在设计开关电源时奠定良好基础。它的稳定输出能够提高后级电路的效率和整机可靠性。在理论分析中，bode 图是电路分析中系统频率响应的一种常用图示方法。本次设计将借助仿真得到bode 图的时域和频域特性，判断系统的稳定性，并用实验对相关设计进行验证。

2 电路设计及计算

开关电源最初的输入电压是由电网提供的交流电，但电网电压并不总是稳定，因此需要一个前级PFC 电路对电网电压进行调整，使后级电路中的移相全桥电路能够得到稳定的输入信号。本文就前级PFC 电路设计过程进行详述。

2.1 BOOST PFC电路

根据本项目开关电源的设计要求，电路需要在输入电压85-250VAC 条件下，达到输出600W、390V 的目的，同时满足功率因数PF ≥0.99。

前级（PFC）电路由输入到输出的过程中，由电网输入85-250V 交流电经过输入整流滤波电路，升压电路，输出整流滤波电路输出390VDC，升压电路中开关管由控制回路驱动。

传统的AC-DC 变换器普遍采用全桥二极管不控整流方式或者相控整流方式，有可能会产生严重谐波电流干扰，危害电网的正常工作。为使电源能够适用于不同国家电网的标准，减少谐波污染，

提高电路功率因数，本设计中升压电路选用结合PFC功能的BOOST PFC 电路，它能够将输入端电流波形逼近正弦波，同时与输入端电压相位保持一致。

图1 ：BOOST PFC 主电路图

以BOOST PFC 电路（图1）为基础对其相关元件参数进行计算，其中：

输入电容C：

升压电感L：

输出电容C：

2.2 控制回路

每一台具有良好的动态和静态性能的开关电源，其控制回路的设计都是开发过程中很重要的一个环节。

如图2 所示，控制回路包括电流控制回路和电压控制回路。控制芯片选用可应用于BOOST PFC 电路的UCC28180对电路中开关管Q精准驱动，来实现输入电流低失真波整形。

图2 ：基于UCC28180 BOOST PFC 开关电源前级电路图

在电流控制回路中，首先需要将电流信号转换为电压信号，用检测电阻（R）来实现这一功能。此处电流信号取通过电感的峰值电流，以防止瞬时电流过大而冲击芯片。该引脚电压值要求高于启动值的同时不高于限定值，由此推导检测电阻的数值。得到检测电阻：

式（4）中I为峰值电流临界值，V为引脚启动电压，I为电感峰值电流，V引脚电压阙值，R为电流检测电阻。

电压控制回路对输出电压进行监测及控制。输出信号由两个电阻（R，R）构成的分压器分压引入误差放大器中与基准电压（V）进行对比。

3 环路稳定性的仿真

传递函数G 是分析与设计电路系统的基础，它是描述系统输入、输出变量以及内部各变量之间关系的数学表达式，既可以精准的反映系统的动态本质，又便于系统的分析和计算。其最终结果通过bode 图予以体现。同时，bode 图中能够直接得到的相位裕度(PM)数值，是判断系统稳定性是唯一可靠的依据。

电流环路的设计核心是控制电路上电感电流的平均值，使它处于稳定状态，依据这个目的得到电流环路传递函数G(f)为：

由传递函数G(f)得到电流环路bode 图（图3）。

图3 ：电流环路bode 图

在电压控制环路中有开环回路和闭环回路两种情况。开环回路中系统为单向输出，未形成完整反馈回路，无法进行电压相位补偿。

开环传递函数G(f)为电压反馈增益G和从脉宽调制器到功率级的增益 的乘积。

根据传递函数G(f)得到电压控制回路开环bode 图（图4）。

图4 ：电压控制回路开环bode 图

在开环回路的基础上补充补偿网络即形成了完整的闭环回路。

电压补偿网络可以对输出信号电压进行超前或滞后补偿，降低误差，使输出快速达到稳定。

常用的补偿网络有TYPE Ⅰ（单极点补偿）、TYPE Ⅱ（双零点单极点补偿）、TYPE Ⅲ（三零点双极点补偿）。随极点的增多，补偿网络的复杂程度和元件数量增加，同时稳定性更强。但在满足电路的稳定性的同时还需兼顾操作性，在此补偿网络选择兼顾稳定性和可操作性的TYPE Ⅱ补偿网络（图5）。

图5 ：TYPE II 补偿网络

根据其零点f和极点f得到电压补偿回路的传递函数G(f)。

最终得到电压闭环传递函数G(f)：

根据传递函数G(f)得到电压控制回路闭环bode 图（图6）。

图6 ：电压控制回路闭环bode 图

在电压控制回路闭环bode 图（图6）中，相位裕度PM= 58.9°。相位裕度(PM)为0dB 增益时对应的相位加180，如果系统有正的相位裕度，那么系统是稳定的。因此可以判定所设计闭环系统处于稳定状态。

4 输出实验及仿真

在判定电路系统处于稳定的情况下，对所设计电路进行仿真（输入典型电网电压110VAC/220VAC）得到输出电压波形图（图7），其中输入电压V；输出电压V。仿真结果显示输出电压稳定，且达到设定值。

图7 ：110VAC/220VAC 输入时仿真波形

以仿真结果为基础，进行电路实验以验证实际输出稳定性。

V=110VAC/220VAC 时，得到输出电压波形（图8），其中输入电压V；输出电压V。结果显示输出电压在390V 上下4%范围有规律波动。

图8 ：输入110VAC/220VAC 实验结果

输入电压在85VAC～250VAC 范围内调整时，得到输入电压、输入电流与PF 值之间的关系（图9），电路长时间工作得到PF 值如图10。

图9 ：输入85VAC ～250VAC 时输入参数关系

图10 ：长时间工作实验结果

PF 值是PFC 电路性能的重要体现，由公式（13）可知，PF 为输入视在功率P 和有功功率S 之比，影响PF 的参数主要为输入电压与电流间相位差φ 和失真因数γ。

结果显示PF 始终高于0.997，显示在正常工作的情况下，PF 值同样保持较高水平。

在V=110VAC/220VAC 时，对输入信号进行检测得到输入电压V与输入电流I之间相位关系（图11）。V和I基本处于同相位，体现了PFC 电路中将输入电流正弦化并跟随电压波形的功能，此时cos φ 趋近于1。

图11 ：110V/220V 输入电压电流波形

对电路进行输入谐波检测，得到如图12 结果。

图12 ：110VAC/220VAC 输入电流和电压谐波

大量电流谐波分量流入电网，会对电网造成谐波污染，一方面会产生 “二次效应”，另一方面会造成电路故障。

结果显示电压和电流基波分量趋近于100%，失真因数γ=I ⁄I（I 为基波电流有效值，I为电网电流有效值），因此此时γ 趋近于1。

由公式（13）可知影响PF 的因素主要为γ 和φ，图11显示φ 始终趋近于0，图12 结果显示γ 始终趋近于1，图9所示结果，PF始终大于0.997，满足电路PF≥0.99的设计要求。

5 结论

实验结果显示，本文基于UCC28180 所设计的BOOST PFC 开关电源前级电路，在V=85-250VAC 范围内，输出电压稳定，PF ≥0.99，输入电流波形为标准正弦波的同时能够紧密跟随电压波形，电流谐波分量低，几乎不产生谐波污染，输出各项参数满足设计要求。能够为后级电路提供稳定输入信号。