200W无纹波输入电流 PFC预调节器设计与应用

引言

在开关电源设计中，功率因数校正（PFC）预调节器是一个关键部分。然而，传统过渡模式运行的PFC预调节器存在一个重大局限，即其输入纹波电流较大。为了满足电磁干扰（EMI）要求，需要使用大型差模（DM）线路滤波器。而纹波转向技术可以将电感纹波电流理论上降至零，这对于减少离线开关转换器，尤其是PFC预调节器对DM滤波的需求非常有帮助。本文将围绕使用L6563S控制器的200W无纹波PFC预调节器展开，详细介绍纹波转向技术的理论基础、实际应用以及相关设计考虑。

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零纹波电流的基本拓扑

磁集成与零纹波现象起源

耦合磁器件在电子领域由来已久，其在功率开关电路中的应用可追溯到20世纪70年代末的Cuk转换器实验，磁集成技术也由此起源。在Cuk转换器的初始实验中，首次观察到了零纹波电流现象，基于此现象衍生出的纹波转向或纹波抵消技术应运而生。

零纹波电流的优势

在开关转换器中，最小化电感纹波电流具有重要意义。一方面，降低电感纹波电流可以减少对转换器电容器的应力，降低相关功率损耗或放宽滤波要求；另一方面，大多数转换器拓扑在输入或输出端存在脉动电流，而许多应用由于电磁兼容性（EMC）或负载要求，需要在两端实现低传导噪声。传统上，这一问题通常通过额外的LC滤波器来解决，但这会增加转换器的尺寸和成本，还可能影响小信号动态响应和稳定性。纹波转向技术可以使输入电流变为非脉动或接近非脉动，从而消除大部分差模传导噪声，有助于减小EMI滤波器的尺寸和复杂度。

基本拓扑实现零纹波

所有转换器拓扑只要存在两个或更多具有相同（或成比例）频率和相位电压的电感，就有可能实现零纹波电流现象。像Cuk和SEPIC等拓扑本身就有两个可耦合在同一磁芯上的电感，适合采用纹波转向技术。而对于buck、boost、buck - boost、flyback和单输出forward等通常只有单个电感的拓扑，需要在同一电感磁芯上增加一个绕组，并使其与要消除纹波电流的绕组具有相同电压。通过添加一个被称为平滑变压器的单元，可以将交流分量（纹波电流）从外部可访问的直流绕组转移到交流绕组（抵消绕组），使直流绕组和输出端口仅通过直流电流。

零纹波电流现象的理论分析

零纹波条件推导

对于一个具有自感(L_1)和(L_2)的双绕组耦合电感，当耦合系数(k = frac{M}{sqrt{L_1 L_2}})（(M)为互感）和有效匝数比(n_e = sqrt{frac{L_2}{L_1}})满足(k n_e = 1)或(k = n_e)，且绕组由相同电压供电时，可实现其中一个绕组的零纹波电流。通过分析(a = k n_e)和(a = n_e / k)等耦合电感模型，可以得出在不同条件下实现零纹波电流的等式。

条件分析与总结

需要注意的是，由于(k < 1)，要实现二次侧零纹波电流，必须满足(n_e > 1)（即(L_2 > L_1)）；要实现一次侧零纹波电流，则需(n_e < 1)（即(L_1 > L_2)），因此无法同时使两个绕组的纹波电流降为零。并且，实现零纹波电流的绕组对于交流电流而言相当于开路，其终端看到的电感等于其自感。

零纹波电流条件的灵敏度

实际实现的困难

在实际的耦合电感中，要将绕组中的纹波电流精确降为零并实现完美的纹波转向是非常困难的。主要原因包括零纹波条件不匹配和施加电压不匹配。由于电感值由匝数和磁路平均磁导率决定，匝数比只能取离散值，且难以精确控制平均磁导率以满足零纹波条件。此外，实际操作中，绕组电阻压降、外部电路的局限性等因素会导致两个绕组的激励电压不完全相等。

残余纹波电流评估

通过(a = k n_e)模型可以评估残余纹波电流。方程表明，DC绕组的电感虽然理论上对现象本身无关紧要，但在实际中会影响残余纹波电流。为了降低纹波，需要采用高漏磁结构，以降低耦合系数(k)，从而最大化“残余”电感(L_2(1 - k^2))。

纹波衰减分析

定义纹波衰减(A)为残余纹波与无耦合电感时纹波的比值。通过分析不同耦合系数(k)和相对电压失配下的衰减曲线，可以发现低耦合系数对于实现良好的纹波衰减至关重要。当耦合系数(k)约为0.7时，即使在(delta)值有±10%的公差和10%的电压失配情况下，也能实现大于10 - 12dB的衰减。

平滑变压器频率特性

平滑变压器能够实现三阶电流纹波衰减，其传递函数通常包含三个极点和两个零点。当零纹波条件满足时，两个零点趋于无穷大，平滑变压器成为三阶全极点滤波器。零纹波条件不匹配会使零点对向极点移动，产生一些“陷波”频率，在这些频率处可实现更大的衰减，但会降低高频段的整体衰减。

零纹波电流现象的实际应用

高漏磁结构设计

为了实现对参数变化低灵敏度的零纹波电流，需要采用高漏磁结构。传统的同心绕组布置不适合，可采用将绕组放置在单独的磁芯腿上（如EE磁芯）或在同一腿上并排布置的方式。这种布置方式能实现更稳定的漏感值，因为其与线轴的几何形状和机械公差相关，更容易控制。市场上常见的开槽线轴可用于并排绕组布置。

电流和磁通分配

平滑变压器的基本作用是将电流分为直流分量和交流分量，分别在直流绕组和交流绕组中流动。这样，绕组中的总均方根电流不变，所需的总铜面积与单个电感承载总电流时相近。通常情况下，由于磁通密度限制或磁芯损耗原因，不需要增加磁芯尺寸。并且，直流绕组可以使用单根导线，交流绕组使用利兹线或多股线，以最小化增加绕组的成本。

设计步骤

确定常规电感参数：从电路设计中确定所需的电感值(L_1)、最大峰值短路电流以及满负载条件下的均方根、直流和交流电感电流。
选择磁芯和线轴：假设使用EE形铁氧体磁芯和开槽线轴，确定磁芯的最大磁通密度和最大磁通摆动，初步选择磁芯尺寸并确定损耗极限。
计算匝数和间隙：根据零纹波电流条件，通过调整匝数(N1)和间隙(gap)分别控制漏感(L{l1})和磁化电感(L_M)，然后确定二次侧匝数(N_2)，使匝数比(n = N_2 / N_1)满足零纹波条件。