功率因數(shù)校正控制器UC3854的建模與應(yīng)用

上海交通大學(xué)微電子技術(shù)研究所張宇陸鳴（上海200052）

摘要：介紹功率因數(shù)校正控制器UC3854的組成原理與特性，根據(jù)宏模型概念，構(gòu)建UC3854主要功能模塊的宏模型，并以該宏模型為核心對功率因數(shù)校正電路在PSPICE環(huán)境下進(jìn)行仿真。

關(guān)鍵詞：功率因數(shù)宏模型仿真

The Construction of the Macro Model for Power Factor Controller UC3854

Abstract:The paper introduces the internal structure, main features of the power factor controller UC3854, constructs the macro model for the main function sub－ models of UC3854 and runs a computer simulation in the environment of PSPICE

Keywords: Power factor Macro model Simulation

1引言

　　隨著功率因數(shù)校正（PFC）技術(shù)在我國的重視與應(yīng)用，功率因數(shù)校正專用控制器的研究漸趨增加。考慮到CAD技術(shù)迅速發(fā)展的今天，傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)方法發(fā)生了革命性變革。計(jì)算機(jī)仿真參與產(chǎn)品設(shè)計(jì)，不僅高效、安全、節(jié)省經(jīng)費(fèi)，還可以通過調(diào)節(jié)參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)性能，在產(chǎn)品開發(fā)初期，計(jì)算機(jī)仿真可忽略寄生效應(yīng)，避免噪聲干擾，還可簡化復(fù)雜電路。

　　然而國內(nèi)對功率因數(shù)校正專用控制器的計(jì)算機(jī)仿真模型的研究尚不多見，為了更好地利用計(jì)算機(jī)仿真來進(jìn)行高頻功率變換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對功率因數(shù)校正專用集成電路的計(jì)算機(jī)仿真模型的研究很有必要。

　　目前，PFC專用集成電路有很多品種，國外的一些半導(dǎo)體廠商如Motorola、Unitrode、SiliconGeneral、Siemens、MicroLinear都開發(fā)生產(chǎn)了PFC專用集成電路。常見的有專用于升壓變換型功率因數(shù)校正專用集成電路MC34261、TDA4814、TDA4815、TDA4816、TDA4817、UC3854、ML4819等。各種產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)和性能有所不同，但其結(jié)構(gòu)與功能模塊基本相同。

　　本文將以Unitrode公司的功率因數(shù)校正專用集成電路UC3854的主要參數(shù)進(jìn)行宏模型構(gòu)建并對利用所建模型構(gòu)成的功率因數(shù)校正電路進(jìn)行仿真。

2UC3854的結(jié)構(gòu)與主要特性

圖1UC3854的總體結(jié)構(gòu)框圖

2.1UC3854的組成結(jié)構(gòu)

　　UC3854的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括以下幾個(gè)功能模塊：電壓誤差放大器模塊，電流誤差放大器模塊，乘除法器模塊，鋸齒波發(fā)生器模塊，輸出驅(qū)動(dòng)模塊，以及峰值限制比較器模塊，欠電壓過電壓保護(hù)模塊，軟起動(dòng)模塊和一些數(shù)字邏輯。為了簡化模型，建模中省去欠電壓、過電壓鎖存比較器，軟起動(dòng)等輔助環(huán)節(jié)。

2.2UC3854的關(guān)鍵特性

表1列出了UC3854各主要功能模塊的關(guān)鍵特性。

表2 列出了UC3854管腳說明。

3模塊宏模型的構(gòu)建

3.1誤差放大器

　　UC3854內(nèi)部有電壓誤差放大器和電流誤差放大

表1UC3854的關(guān)鍵參數(shù)

圖2電壓誤差放大器原理示意圖

圖3電壓誤差放大器宏模型示意圖

表2UC3854管腳說明

器，它們的基本結(jié)構(gòu)類似，其差別在于電流誤差放大器對電流控制電路有特殊要求，其增益和帶寬要大于電壓誤差放大器。因此我們這里只給出電壓誤差放大器的宏模型示意圖，圖2為電壓誤差放大器的原理圖，圖3為其相應(yīng)的宏模型示意圖。

　　在圖2中，運(yùn)放的正向輸入端連接傳感電壓，反向輸入端連接到基準(zhǔn)電壓，運(yùn)放的輸出經(jīng)過三極管與6.2k的電阻構(gòu)成射極跟隨引出。

　　在圖3中，RI和CI決定了電壓誤差放大器的輸入阻抗，電壓控制電流源G1以及電容CI決定了電壓誤差放大器的增益帶寬積，通過二極管VD2和VD3以有源功率因數(shù)校正

圖4乘法器宏模型示意圖

圖5振蕩器宏模型示意圖

圖6輸出驅(qū)動(dòng)模塊宏模型示意圖

圖7包含UC3854的功率因數(shù)校正電路圖

及電源Uo和UN來實(shí)現(xiàn)對誤差放大器輸出的箝拉。

3.2乘法器模型

　　乘法器的模型構(gòu)建在整個(gè)集成電路的建模中非常重要，圖4給出了其宏模型的具體實(shí)現(xiàn)。該乘法器有三個(gè)輸入：電壓誤差放大器的輸出（EAOUT），輸入AC電流（IAC），URMS輸入。其中，IAC端輸入的是電流信號，而它的采樣是功率級的輸入電壓，這可以用一個(gè)6V的電壓源UIAC來進(jìn)行電壓信號/電流信號的轉(zhuǎn)換。注意到輸出端輸出的是電流信號，該乘法器的輸出電流可用下式表示：

IMO=K×IAC(UEAOUT－1)（1）

式中：K為增益調(diào)節(jié)因子，它隨著功率級的輸入電壓URMS之變化而變化，它可以用下式表示：

K=k/U2RMS（2）

式中：k為乘法器增益常數(shù)，其典型值為1V。

圖8開關(guān)管柵級驅(qū)動(dòng)脈沖波形（fS=5kHz）

圖9開關(guān)管柵級驅(qū)動(dòng)脈沖波形（fS=100kHz）

3.3振蕩器模型

　　鋸齒波發(fā)生器的振蕩頻率和死區(qū)時(shí)間由外圍電路元件RT和CT共同決定，其工作原理在參考文獻(xiàn)[1]中有詳細(xì)的介紹，在此不再重述。圖5給出了鋸齒波發(fā)生器的原理示意圖。

　　圖5中，參考電壓，UD，RT，F(xiàn)CHARG共同決定了電容的充電電流，而電流源G的加入與否則受X1的控制。當(dāng)X1輸出為6.3V時(shí)，開關(guān)閉合，G為12mA，電容放電；當(dāng)X1輸出為1.1V時(shí)，開關(guān)斷開，G為0mA，電容充電。為了較精確地控制開關(guān)的門限電平，其中采用了數(shù)字輸入輸出器件。

3.4輸出驅(qū)動(dòng)電路

　　圖6為輸出驅(qū)動(dòng)電路的宏模型，由圖可以很容易分析出其工作的原理。其中，兩個(gè)三極管組成推挽式的輸出驅(qū)動(dòng)。這是在構(gòu)造宏模型時(shí)所做的簡化，輸入信號為該芯片內(nèi)部邏輯輸出，對本電路來說是一個(gè)數(shù)字輸入信號。其輸出驅(qū)動(dòng)信號受到箝位二極管VDCL的箝位，用以對開關(guān)管進(jìn)行保護(hù)。

4仿真應(yīng)用實(shí)例

　　為了更好地理解和利用以上所構(gòu)建的宏模型，下面以該模型為核心對圖7所示功率因數(shù)校正設(shè)計(jì)電路進(jìn)行仿真。

圖10輸入電壓、電流波形與輸出電壓波形

　　該P(yáng)FC電路的技術(shù)指標(biāo)如下：

　　最大輸出功率：200W

　　輸入電壓：220VAC50Hz

　　輸出電壓范圍：380～400V

　　開關(guān)頻率：fs=100kHz

　　仿真的結(jié)果可總結(jié)為圖8、圖9、圖10及表3。其中圖9所示為穩(wěn)態(tài)情況下電流誤差放大器，鋸齒波發(fā)生器的鋸齒波，功率開關(guān)管的柵級驅(qū)動(dòng)脈沖。由于開關(guān)工作頻率為100kHz所以該圖中只能看到部分波形，如果降低頻率為5kHz則可非常明顯地看出為SPWM波，如圖8所示。

　　圖10所示為整流后的輸入電壓波形，整流后的輸入電流波形，功率級輸出電壓波形。從該圖中可以看到，輸出電壓還是比較理想的，在保留二倍頻諧波的情況下，基本不含高次諧波。輸入電流的波形在相位上與輸入電壓基本保持同相，波形的畸變也不大。表3對不同工頻電壓情況下的功率因數(shù)作了一個(gè)總結(jié)，可以看出其功率因數(shù)有了較大的改善。

????????????????? 表3不同工頻電壓下的性能

　　總的說來，我們所構(gòu)建的宏模型總體上是可行的,可以在實(shí)際電路設(shè)計(jì)仿真中使用。

參考文獻(xiàn)

1 Mehement K.Nalbant William Cho， “ Theroy and Application of the ML4821 Average Current Mode PFC Controller", Micro Linear Applications Handbook 1995

2 Philip C.Todd， “ UC3854 Controlled Power Correction Circuit Design", Unitrode Application Note 1997

3 Unitrode Corporation Data Book 1997

4 J.Alvin, pyung choi, Macromodeling with spice; Eglewood cliffs, N, J.i, Prentice Hall c1992

5 Thomas W. Thorpe,Computer circiut analysis with spice; New York, Wiley. c1992