通过ICE1CS02芯片如何实现PFC+PWM电路的设计

近年来，提高开关电源的功率因数，减少其对电网的污染，已经成为电源发展的必然趋势。为了使输入电流谐波满足要求，需要增加一个功率因数校正(PFC)电路。目前在小功率场合应用最广泛的是PFC级和PWM级共用一套控制电路，可以在获得稳定输出的同时实现功率因数校正。该方案具有电路简单、成本低的优点。

介绍了一种基于ICE1CS02的PFC PWM电路的基本原理和设计过程，并设计了一个500 W的实际电路。

1电路设计

凌影的ICE1CS02芯片由两个电流模式控制器组成：功率因数校正(PFC)和脉宽调制(PWM)。PFC级采用非线性增益电路代替乘法器技术，可以获得更高的功率因数。PWM采用电流模式控制，可以提高轻载下的响应速度和系统效率。

电路的PFC级采用非隔离Boost电路，具有效率高、易于实现的特点。PWM级采用双管正激电路结构，无需复位绕组，有利于减小变压器体积，提高开关电源的功率密度和工作效率。

PFC正激变换器的主电路原理图如图1所示。

图1 PFC双管正激变换器主电路原理图

电路的工作原理简述如下：电路上电时，输入交流电压整流后的DC电压给辅助电源提供信号，从而给主控芯片提供启动电压。PFC级的电压和电流反馈信号率先使前一级正常工作，即PFC级的输出电压为400VDC偏差信号由后置DC/DC转换电路中的TL431获得，经光耦隔离后反馈给主控芯片，控制开关管的通断，从而实现稳压的最终输出。

在开关周期Ts中，PFC级MOS晶体管M1开关一次，后级MOS晶体管M2和M3同步开关两次。频率交织易于消除相互干扰。一个主控芯片提供两种MOS管的控制信号，简化了控制电路的设计。

在电路中，变压器充当隔离变压器，因此不再需要复位绕组。二极管D6和D7导通，将激励能量反馈到输入源，并使变压器消磁，以保持磁平衡。

2模拟分析

Saber仿真软件是Synopsys公司开发的功能强大的系统仿真软件。利用Saber仿真软件对电路进行仿真分析，可以验证电路的工作原理和可行性。

仿真参数：输入220 VAC输出24v/21a；最后一级MOS管的工作频率为130 kHz占空比为0.4。

图2显示了仿真得到的PWM MOS管的DS电压和主变压器T1的初级电压和电流波形。

图2后期MOS晶体管的DS电压波形

PFC级输出稳定的DC电压。当PWM级的MOS晶体管导通时，两个晶体管的DS电压都为零，由于次级储能电感的作用，变压器的输入电流线性增加，如图3的电流波形所示。

关断时，主变压器初级电位反向，能量通过二极管D6、D7返回输入端，完成磁复位，如图3电压波形所示。

图3主变TI的一次电压和电路波形

通过仿真实验验证了电路的基本工作原理。

3主变压器的设计

变压器设计是整个电路设计的重点。本文讨论500 W电路的PWM正激变压器的设计(设计要求以仿真参数为例):

根据输出功率与磁芯尺寸的关系，粗略估算磁芯的有效面积，选择磁芯模型的有效面积大于理论计算值。选用EE42磁芯，有效面积Ae为2.33cm2 .

电路的工作频率是恒定的。考虑到饱和磁感应强度Bs将在高

是EON功率管开启时变压器的伏秒；B通量增量，这里，取0.15~0.2 T.TON为导通时间。

变压器原边和副边的匝数：

根据电流的有效值和导线选择的经验，并考虑到高频工作时导线的趋肤效应，当电流较大时，多股并联缠绕，每股直径不得大于2倍穿入深度。可以适当调整漆包线的线径和股数，使线包的每一层都能绕完全。如果计算出的一次侧和二次侧的匝数都不是整数，可以选择较小的一个进行四舍五入，然后根据匝数比计算出其他绕组的匝数。初级匝数为33，次级匝数为5。

根据公式Ku=Ae/Q，窗系数Ku约为0.3~0.35。

在计算二次侧圆整的过程中调整匝数，最大磁感应强度要用公式Np=(VinTon)/(BAe)校核，最大磁感应强度在3 000 Gs以内。

4测量波形分析

除非另有说明，以下波形为220 VAC的输入电压：输出功率为500W W.

4.1 PFC电平波形分析

PFC电路的主要功能是对输入电压波形进行采样，将输入电流波形调整为正弦，并使相位与电压波形同步。

从图4可以看出，通过功率因数校正电路的输入电流是正弦的，并且相位和电压波形是一致的。经测试，功率因数达到0.99。

图4 PFC级的输入电压和电流波形

4.2 PWM电平波形分析

对于PWM双管正激电路，其输入电压是PFC的输出电压，基本稳定在400 VDC。由于变压器的漏电感和一些寄生参数，实际测试波形与仿真波形略有不同。实验波形如图5和图6所示。

图5后级MOS晶体管M1M2的电压和电流波形

图6主变T1一次侧电压波形

在磁复位过程中，上下功率管承受的最大电压不应超过DC输入电压与二极管D6和D7正向压降之和。磁复位完成后，高频变压器的初级电压箝位在零。此时，M2、M3的电压被箝位在输入电压的一半。这个阶段保持到MOS管的下一次导通。在图5中，当DS电压下降到一个平台时，它是输入电压的一半，这也标志着磁复位的完成。

5结论

分析了PFC PWM电路的工作原理。根据500 W样机的测试结果，样机满载时效率可达88%。功率因数不小于0.99；负荷调整率不超过0.5%；输出24 V DC电压的精度高。经验证，该电路具有驱动电路简单、可靠性高、体积小、效率高的优点，在提高功率因数的前提下实现了DC/DC转换的目的。