功率因數(shù)校正芯片L4981A的仿真建模及應用

1、HansiX 斯Modeling and Simulation 建模與仿真，2014, 3, 75-82Published Online November 2014 in Hans, /journal/mos http:/dxdoiorg/10：12677/mo$2(H434(HlModeling and Application ofPFC Chip L4981AHonglei Wang, Duiixin Bian, Hui Shan, Bing WangShandong University of Technology, ZiboEmail: 183

2、69948455Received: Sep. 15th, 2014; revised: Oct. 22nd, 2014; accepted: Nov. 2nd, 2014Copyright © 2014 by authors and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).http:crQativecommonsorg/licenses/by/40/Open AccessAbstractIn order

3、to improve the efficiency of power supply design using PSIM simulation software in power supply design process, combining with the working principle and characteristics of L4981A, a L4981A simulation model is established which is the lack of PSIM Library. An APFC circuit in ST AN827 application note

4、 is used to simulate and verify the model of L4981A. Compared with its application note, it is found that the static characteristics of modeling match well with the application note. Results show that the model can describe the operating characteristic of actual circuit. The model has a very good re

5、ference value in analysis and design of power equipment The idea provides an effective analysis and implementation method for other control chips.KeywordsL4981A, Power Factor Correction, Simulation Modeling功率因數(shù)校正芯片L4981A的仿真建模及應用王紅蕾，邊敦新，單輝，王冰山東理工大學，淄博Email:稿日期：2014年9月15H:修回日期：2014年10月22H

6、:求用日期：2014年11月2日功率伙I數(shù)校止芯片L4981A的仿克建模及應用摘要為了在電源開發(fā)設計過程中利用PSIM仿真軟件提高電源設計效率，本文基于L4981A的工作原理與特性, 建立了 PSIM庫中欠缺的L4981A的仿真模型利用該模型對意法半導體的AN827應用手冊的APFC電路進 行仿真，并參照手冊參數(shù)與模型的靜態(tài)特性進行對比，仿真結果與手冊參數(shù)一致.結論表明該模型可以 用于模擬實際電路的運行，對電源的分析與設計具有很好的參考價值，也為其他控制芯片的仿真建模提 供了有效的分析手段與實現(xiàn)方法.關鍵詞L4981A,功率因數(shù)校正，仿真建模1. 引言隨著電源技術的不斷發(fā)展，由奇頻開關電源帶來

7、的諧波污染問題越來越嚴垂，解決這一問題的辦法 就是對川電設備采用功率因數(shù)校正技術。L4981A是-款保護功能完善的髙功率因數(shù)控制器。仿貞軟件在 電力電子的分析與設計中可以縮短開發(fā)周期、節(jié)省設計成本，還可以加深設計者對系統(tǒng)工作狀態(tài)的理解. PSIM是一款專為電力電子和電機控制設計的仿戌軟件，為拎制環(huán)路分析與電機驅動系統(tǒng)設計提供了強大 的仿負開發(fā)環(huán)境；與SABER、PSPICE等仿貞軟件相比，其仿貞過程更迅速，界面更友好。因電力電子仿貞軟件缺少對L4981A的仿貞支持，本文利用PSIM軟件的建模功能，以L49S1A為仿 戊對象，建立L4981A的仿貞模型，基本實現(xiàn)了 L4981A的所有功能，并且將

8、該模型應用到意法半&體的 應用F冊AN827中，仿丸獲取系統(tǒng)的靜態(tài)特性曲線，最終仿戊結果與手冊參數(shù)-致，驗證了該建模的可 靠性與可行性。為以后利用PSIM軟件對電源的分析與設計提供便利。2. 工作原理L4981A是總法半與體公司生產(chǎn)的功率因數(shù)棧正PWM集成芯片，由內部基準穩(wěn)斥器、誤差放大器、 峰值電壓比較器、乘法器、振蕩器、驅動和控制邏輯電路等組成，同時它還具有過欠壓和軟啟動保護功 能2,其內部框圖如圖1所示。前置變換器輸出電壓反鍛信號VFEED接入電壓謀差放大器，與5.1 V基準電壓V,誤差放大后輸入 到乘法器。乘法器輸出電流la輸入到電流放大器的同相輸入端，與線電流反饋信號匚皿誤墨

9、放大后生 成PWM比較器的基準信號。該基準信號與振蕩器輸出倍號比較，輸岀變化的占空比，進而實現(xiàn)對輸出 電壓的控制，實現(xiàn)電路功能3。3仿奠建模通過對L4981A T作原理的分析與梳理，把其內部結構模塊化，然后對模塊進行建模、整合。乘法器模塊是系統(tǒng)的核心模塊，對控制輸入電流匚與輸入電壓V»同相位且為正弦波起關鍵作用； 脈沖發(fā)生模塊用于設過系統(tǒng)工作頻率：保護模塊用于保證芯片的正常工作。把上述三個模塊整合起來即 可得到PSIMSIMCAD環(huán)境下L4981A的仿真系統(tǒng)建模框圖。3.1.乘法器模塊乘法器主耍山四個變雖控制：輸出電壓反饋信號VFEED、線電壓有效值¥心、交流電流輸入J和功

10、率伙I數(shù)校止芯片L4981A的仿貞建模及應用I igun 1. Internal block diagram of L498LA 圖1.L4981A內部框圖變量Vup乘法器的輸出有控制V。譏的成分，VFEED接入電壓誤差放大器后，與芯片內部5.1 V基準電 壓誤差比較放大后輸入到乘法器，改變乘法器的輸岀電流1噠，進而控制功率開關管的導通時間以實 現(xiàn)穩(wěn)壓4獲得上述這些控制變量之肓，利用PSIM庫中的傳遞函數(shù)、傳感器、誤差放大器等模塊搭建乘法器 模塊，實現(xiàn)模塊整合。由芯片手冊可知，各控制變量的數(shù)量關系如下：T0.37一 (V_-1.28 V)(0.SV® -1.28 V)小心亍I丿fil

11、l?當引腳LFF與口引腳相連時：式中：為乘法器的輸出電流；J為交流電流輸入：“為電壓誤差放大器的輸出電壓：Vlfp為負載 前饋信號：V皿為線電壓有效值。圖2中的傳感器模塊把電力電路的電味電流傳到拎制電路.以實現(xiàn)并捋制變量之間的運算"在運篦 過程中電力回路波形的«采樣點參數(shù)均遵循運算規(guī)則。3.2.脈沖發(fā)生模塊3.2.1.振蕩器橫塊L4981A的振蕩器模塊是通過外接充電電容C°k和時間電阻Rxx來實現(xiàn)的。設計時用內部5.1 V的參 考電壓配合兩個比較器設定C。充放電電壓的上下閥值，再配合SR鎖心器控制Gk充放電回路的通 斷來實現(xiàn)三角波的發(fā)生。其中，三角波的上下烽值電壓

12、分別為1.5 V, 6.5 V,當電容電壓充電到6.5 V時， 鎖存器鎖存一個倍號，電容放電：當電容電圧降至1.5 V時，電容充電，就這樣電容周而復始的進行充 放電。其中，時間電阻決定充電電容Ck充放電電流的大小，Kok引腳的參考電壓為1.28 V4.由咒決定的充放電電流分別為】c、I”通過訓整C欣和就能訓整振蕩器的撮蕩頻率，振蕩頻率如卞：1 ORIc «10x_h u200x竺R功率因數(shù)校止芯片L4981A的仿貞建模及應用功率伙I數(shù)校止芯片L4981A的仿貞建模及應用通過調整Cest和人賣就能調整摭蕩器的振蕩頻率，振蕩頻率如下:112.44Tvnpc0SC/1CokRok式中：仏為

13、PWM開關頻率：V叩為振蕩器斜坡信號峰峰值，典型值為5 Vo模型實現(xiàn)如圖3所示。3.2.2.脈沖發(fā)生模塊脈沖發(fā)生模塊以電流誤差放大器輸出為載波，以三角波為調制波，兩者交點確定開關管的開通時間， 產(chǎn)生一系列等幅不等寬的脈沖波形，從而控制開關管的導通關斷時間，維持輸出電壓的基本穩(wěn)定。4. PSIM仿真模型的應用為了驗證芯片建模的有效性，把模型應用到意法半導體公司AN827手冊的原理圖中進行驗證5。模 型中的參數(shù)均按照AN827的婆求設置，如無特殊說明，默認輸入電壓為220Vaco手冊設計耍求如下：交流輸入電壓訂的范圍是88264 ,直流輸出電壓V01t = 400 V，滿載輸出 脈動電壓AVnpp

14、Je = ±8 V,額定輸出功率P01t= 500 W.最大輸出電壓乂論=450 V,開關頻率J = 80 kHz, 最大電感電流脈動AIl = 23%,輸入功率因數(shù)PF>0.99,輸入線電流總諧波<5%。.281 mure 2. Muluplier module 圖2乘法器模塊功率因數(shù)校止芯片L4981A的仿貞建模及應用圖J.APFC仿真原理圖I iure 0 The output voltage waveform 圖5輸岀電壓波形0040120140 20U02022024fsFigure 6. The waveform of input current input

15、voltage and THD after correction 圖6.校正后的輸入電流【m輸入電壓二、THD波形功率因數(shù)校止芯片L4981A的仿貞建模及應用功率伙I數(shù)校止芯片L4981A的仿貞建模及應用PSIM仿貞采用已設定的時間步長，為了保證荊確的仿戊結果，仿戊時間步長在這里設星為1-007。 PSIM環(huán)境下的BOOST型APFC電路的仿貞模型如圖4所示，仿貞結果如圖5、圖6所示。由圖5可以看出，滿載時的為400 V, AVnppk ft持在±8 V之內。I冬16表明交流側電壓、電流始 終保持同相，且電流能實現(xiàn)正弦化。實驗測得總諧波畸變THD保持在3.3%左右，最終PF能達到0.

16、99 以上，校正效果良好。5.結論本文基于PSIM的建模工具建立了 L4981A的仿曲模型，配合應用手冊AN827的BOOST型APFC 電路進行J"電路的仿貞臉證，并與模型的靜態(tài)特性進行對比。仿戊實驗表明：該模型JL有較強的功率因 數(shù)校正功能，輸出能夠平穩(wěn)運行，仿氏結果與應用手冊的參數(shù)吻合：該模型可以用于分析實際電路的工 作特性，對電源系統(tǒng)的設計和調試具有一定的參考價值。致謝實驗室的劉萌和王建同學在建模與調試過程中提岀了建議，使仿貞模型更加完善，系統(tǒng)更加穩(wěn)定， 在此向他們所做的工作表示感謝！參考文獻(References)1 華建軍，沈艷槪，紀志成(2007)基于PSIM斷續(xù)導通模

17、式的DC-DC變換器的建模與仿真研究 電機與控制學報、 5.522-52&2 錢偉康.鄭剛謝明(20 基于L49SLA的流升斥變換器的設計與實現(xiàn) 測擰技術、2、Z63、6E3 貝澤中，施三保(2006丿一種高功率因數(shù)整潦器的設計與實現(xiàn).也勺77動怎4,6"4 ST (1997)Deagiung a high power factor switching prereguhtor with L4981A continuous modehup:/八m st com u eb en/resource technical document/dpplKatioii_note/CD0000

18、3936 pdf5 ST(2003) Apphcauon note A 500W high power factor with the L49SIA continuous modehttp /www st com. v eb eaxesource tecluucal documentrapplication note/CD00043733 pdf功率因數(shù)校止芯片L4981A的仿貞建模及應用附錄】、主電路器件參數(shù)：輸入濾波電容Cl = 0.68 uF；升壓電感Ll = 0.5mH：輸出電容C6- 330 uF：采樣電阻R = 0 333 Q：2、其他電路器件參數(shù)：(1) MOSFET 處的 RCD 關斷緩沖器參數(shù)：Cll = 892 pF： R23 = R24 = 510Q1比過電流保護的器件參數(shù)：R12 = 562 Q： R13 = 5.1kG交流電流輸入端器件參數(shù)：Rl-R2- 806kOVP過電壓保護，輸出分壓電路的器件參數(shù)：Rll=21k： R21 = R22 = 909k(5) CA-OUT 電流放大器輸出的器件參數(shù)：R14 = R15 = 2.7k； R15=36k： C9 = 680 pFV皿線電斥有效值檢測信號輸入端的器件參數(shù)：R3 = 33 kQ： R4 = 360kQ； R5 = R6 = 620kQ； C25 = C2 = 2