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基于单周期控制的功率因数校正芯片的设计与测试

基于单周期控制的功率因数校正芯片的设计与测试

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作者：宋健电子科技大学

学位级别：硕士

电力电子设备在交流电网中的大量应用,产生了严重的电流谐波污染,不但影响了电能的利用效率,而且产生了各种安全问题。功率因数校正（PFC）技术能够有效地抑制电流谐波和提高功率因数（PF）,从而提高用电效率。随着近年来世界各国对降... 详细信息

电力电子设备在交流电网中的大量应用,产生了严重的电流谐波污染,不但影响了电能的利用效率,而且产生了各种安全问题。功率因数校正（PFC）技术能够有效地抑制电流谐波和提高功率因数（PF）,从而提高用电效率。随着近年来世界各国对降低电流谐波或提高功率因数标准的强制实施,PFC技术也逐渐成为电力电子技术中研究的热点,越来越多的电源设计已经采用了PFC。本论文设计了一款基于单周期控制的功率因数校正芯片,并且对芯片进行了测试。芯片外围采用Boost拓扑结构,对开关管进行后沿调制,内部主要包括积分器、加法器、电压误差放大器、振荡器、驱动输出和过压检测等错误保护模块。与传统的PFC控制芯片不同,本文所设计的芯片不需要采样输入电压信号来作为内部电流基准,减少了外围元件和电路板面积,从而降低了整体成本。本论文分析了单周期控制PFC的基本原理,推导了单周期控制PFC的控制方程组。根据整体电路的要求,完成了积分器、电压误差放大器、7.5V稳压器模和前沿消隐模块的电路设计与仿真。完成了在输出功率为300W情况下的芯片外围电路的设计和元件参数的选取,并且对电压控制环路进行了分析,同时利用Matlab软件对环路进行了稳定性仿真。基于CSMC lp.m36V Bipolar工艺对芯片整体电路进行仿真,得到PFC电路在输入电压220VAC（50Hz）,输出功率300W时的PF值为0.996,输出直流电压为384.5V。最后对芯片的部分模块和PFC整体电路进行了测试,并对测试结果进行了分析。本论文在分析了单周期控制PFC原理的基础上,对芯片内部电路进行分析与设计,并且利用EDA软件进行仿真验证。芯片最终得以顺利流片,经测试得到在交流输入电压90VAC（50Hz）和负载90W条件下,PFC电路的PF值达到0.9784,效率为96.7%,输出直流电压为362.5V,具有较好的PFC效果,理论分析的可行性得到了验证。

关键词：单周期控制功率因数校正积分器电压环路

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宽输入范围高效率Buck变换器的研究与设计

宽输入范围高效率Buck变换器的研究与设计

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作者：桑庆华合肥工业大学

学位级别：硕士

随着科学技术的快速发展,电力电子设备的数量和种类快速增长,给人们的生活和工作带来了极大的改善,这同样也要求为电力电子设备供电的电源管理芯片适应性更强。开关电源作为电源管理芯片一种,因其具有低纹波、强带载能力和高效率等特点... 详细信息

随着科学技术的快速发展,电力电子设备的数量和种类快速增长,给人们的生活和工作带来了极大的改善,这同样也要求为电力电子设备供电的电源管理芯片适应性更强。开关电源作为电源管理芯片一种,因其具有低纹波、强带载能力和高效率等特点,被广泛应用于工业和生活领域中。由于汽车电子、工业装置等场合需要电源管理芯片将宽范围的输入电压转换为合适的电平,因此关于降压型(Buck)开关电源变换器的研究受到了许多学者和工程师的青睐。本文针对宽输入范围高效率Buck变换器展开研究,完成了一款峰值电流控制模式的Buck变换器。首先,从变换器的基础知识入手,选择综合性能更加稳定的峰值电流控制模式作为本文的环路控制方式。针对Buck变换器高效率的特点,对系统损耗进行分析和优化,采用同步整流结构,并利用电流镜电压跟随的特点对传统采样电路进行改进,实现了较低功耗下高精度采样的目标,此外,驱动电路采用窄脉冲信号传输和死区时间优化处理的方式以降低功耗。然后,从系统层次出发,针对传统Buck变换器输入电压范围较窄的问题,采用高压预处理电路和高压线性稳压电源模块进行改善。预处理电路为带隙基准和线性稳压电源提供偏置电压,线性稳压电源负责将宽范围的输入电压转换为稳定的5V输出,提供给变换器内部电路。针对电压环路稳定性问题,进行小信号建模分析,设计合适的零极点分布以及频率补偿电路,保证变换器的系统稳定性,并基于Simplis平台进行了仿真验证。最后,对变换器的内部软启动、误差放大器、驱动模块等关键子电路进行设计并完成了仿真验证。本文采用0.18μm BCD工艺进行电路设计,基于Cadence Spectre仿真工具完成验证,仿真结果表明:输入电压6～60V时,可稳定输出电压5V;在60V的输入电压下,输出电压纹波不超过5.8m V;典型情况的12V输入电压下,峰值效率达93%,150m A负载跳变的过冲或下冲均小于输出电压的2%,瞬态恢复时间小于150μs,负载调整率为0.0174%。

关键词： Buck变换器宽输入范围峰值电流模电压环路稳定性

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