独立PFC的高性价比辅助电源设计

摘 要：PFC的研究已经从如何实现高PF值、降低THD等基本功能向数字化、高功率密度和高性价比等方向发展。辅助电源作为PFC的重要组成部分，其性价比成本对整机性价比有相当的影响。针对独立PFC的控制芯片，本文设计了一款高性价比的辅助电源。

关键词：独立PFC；高性价比；辅助电源

1 概述

自 IEC61000-3-2 标准颁布后，功率因素校正器 (power factor corrector, PFC) 已经从研究热点逐渐变成众多电子电气设备的标配。PFC 的研究方向也从如何提高 PF 值 ( 功率因数的大小 )、降低 THD( 总谐波失真 ) 向数字化、高功率密度和高性价比等方向转变。

在各种 PFC 的实现电路中，最基本的是使用 BOOST 拓扑或其改进电路实现的有源功率因数校正器。PFC 的控制芯片，无论是微控制器还是电源管理芯片，都需要辅助电源供电。辅助电源的实现，一般利用 PFC 后级隔离电源（如反激式变换器）的变压器辅助绕组进行简单整流、滤波。然而在有些应用中，PFC 是模块化的或直接接负载（这类 PFC 本文称之为独立 PFC），无法利用变压器辅助绕组，这就需要设计辅助电源。

独立 PFC 的辅助电源，根据具体的应用场合有不同的实现方法，例如，在实验室中可以直接应用线性电源设备，在大功率设备中，可以使用电源模块作为辅助电源。

针对独立 PFC 的辅助电源，本文将分别介绍线性电源方案、开关电源方案和辅助绕组方案，最后结合具体的产品，设计一款高性价比的辅助电源。

2 线性电源方案

线性电源方案是最成熟的电源方案，具有精度高、噪声小等优点，也有效率低、体积大等缺点。针对独立 PFC 的辅助电源，常用的线性电源方案有两个：低频变压器方案和 BJT( 双极性三极管）方案。

低频变压器方案，直接利用低频变压器对市电进行降压，然后用三端稳压器进行稳压，具有电路简单、变压器体积大、成本高的特点。BJT 稳压方案 , 利用 BJT 对市电整流后的高压进行线性调整、然后用稳压二极管进行稳压，具有电路简单、效率低、散热器体积大的特点。

3 开关电源方案

通常，独立 PFC 的输入是市电 ( 交流 220 V±20%)，整流滤波后的电压为 249 ～ 342 V，输出电压为 400 V 左右。辅助电源的输出电压为 15 V 左右，这种高输入电压低输出电压的场合，特别适合用开关电源。针对独立 PFC 的辅助电源，常用的拓扑有 FLYBACK( 反激式 变换器 ) 和 BUCK（降压变换器）。

FLYBACK 拓扑成熟、效率高、可靠性高，但此拓扑需要用到变压器，成本较高、体积较大。BUCK 拓扑电路简单，效率高、体积小，但是输入输出压差大，占空比小，可靠性差。

4 辅助绕组方案

对于独立 PFC 来说，由于没有后级隔离电源，因而无法直接使用变压器的辅助绕组来实现辅助电源。庆幸的是，PFC 自身带有一个升压储能电感，可以考虑在此电感上增加一个绕组，来实现辅助电源。

下面以基于英飞凌的 ICE3PCS03G 方案设计的一款 60 W 独立 PFC 为例，对辅助绕组方案进行较为详细的介绍，PFC 电路原理图如图 1。

在 PFC 主电感 L1 的磁芯上增加 1 个绕组，形成 1 个变压器 T1，其初级绕组就是 L1，次级绕组作为辅助电源的输入。在 PFC 启动前，升压电感 L1 两端的压差较小且为直流，无法实现变压。因此，此无论变压器绕组的匝比和同名端如何，都无法实现辅助电源。解决的办法是，以整流后的电压 V_REC 为电源、通过启动电阻 R11 和 R12 对电解电容 CD11 进行充电，先启动 PFC。一旦 PFC 启动，V_out 即为稳定的 400 V 电压，VR 为稳定的半正弦波，VQ 为 0 ～ 400 V 的矩形波。此后，升压电感 L1 两端（即变压器 T1 的初级）就有了交流电压，变压器次级也就有了交流电压，经过整流、滤波和稳压就能实现辅助电源了。下面对辅助电源的电路和参数进行设计。

按照电磁感应定律的相关理论并结合同名端的设计，可知：

T 为 MOS 管的开关周期；D 为 PFC 的占空比； N 为 自 然 数，V_out 为 PFC 的输出；VR 为 L1 前端电压；VQ 为 L1 后 端电压（忽略二极管的压降，当 MOS 管 Q1 关断时，VQ = 400 V ）；Vaux 为变压器次级输出电压，Vaux 的波形如图 2。

这是一个峰值为VR×N2 / N1、谷值为（VR-400）×N2 / N1、频率为 100 Hz 低频叠加 65 kHz高频的准周期波。

图5 独立PFC的高性价比辅助电源电路

此辅助电源所用的电路技术成熟、结构简单、性能稳定，所用的物料均为成本很低的常规物料，所以性价比很高。另外，此辅助电源没有用到体积大的散热器、变压器（辅助绕组不增加体积、只是增加两个焊点）和成本高的 IC、MOS 等，因此也有利于节省整机的空间和成本。采用高性价比辅助电源得到的辅助电源波形如图 6。

图6 V_CC波形

V_CC 的实测值为稳定的 15.4 V，在稳压二极管 Z11(BZT52C15)工作电压的正常范围之内 (14.25 ～ 15.75 V)，设计合理。

6 结束语

本文以具体应用为例，结合独立 PFC 电路本身的特点，设计了一款高性价比的辅助电源。此辅助电源适用于功率较小（如 200 W 以下）、输入电压范围较窄（如 176 Vac ～ 242 Vac），且要求体积小、成本低的独立 PFC。对于其它应用场合，需要根据客户对产品的具体要求，设计相应的辅助电源。

参考文献：

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[5] 赵修科.实用电源技术手册磁性元器件分册[M].沈阳:辽宁科学技术出版社,2002.

[6] 扬杰电子科技.BZT52C2V4 THRU BZT52C75[G].Datasheet,rev.2.1,扬州:2019.

(注：本文转载自《电子产品世界》杂志2022年11月期)