2.5　PFC开关电源电路

2.5.1　PFC功率因数补偿型开关电源电路构成及补偿原理

（1）PFC功率因数补偿型开关电源电路构成及特点　传统开关电源输入电路普遍采用二极管整流或相控整流方式，不仅在电网输入接口产生失真较大的高次谐波，污染电网，而且使网侧的功率因数下降到0.6左右，浪费能源。科学技术和现代经济的飞速发展使越来越多的电气设备入网，谐波干扰对电网的污染日趋严重。为此，发达工业国率先引入功率因数校正技术（PFC），来实现“绿色能源革命”，并制定IEC 555-2和EN 60555-2等国际标准，限制入网电气设备的谐波值。在2003年欧盟对中国出口电子产品的反倾销中，电源的谐波辐射（环保）的功率因数（节能）就是一个重要的考核指标。

长期以来，开关型电源都是使用桥式整流和大容量电容滤波电路来实现AC/DC变换的。因滤波电容的充、放电作用，在其两端的直流电压出现略呈锯齿波的纹波。滤波电容上电压的最小值与其最大值（纹波峰值）相差并不多。根据桥式整流二极管的单向导电性，只有在AC线路电压瞬时值高于滤波电容上的电压时，整流二极管才会因正向偏置而导通；当AC输入电压瞬时值低于滤波电容上的电压时，整流二极管因反向偏置而截止。也就是说，在AC线路电压的每个半周期内，只是在其峰值附近，二极管才会导通（导通角约为70°）。虽然AC输入电压仍大体保持正弦波波形，但AC输入电流却呈高幅度值的尖峰脉冲，如图2-18所示。这种严重失真的电流波形含有大量的谐波成分，引起线路功率因数严重下降。

功率因数校正的方法有两种：一是无源PFC电路，即通过大电感和电容耦合来扩大整流元件的导通角，但很难实现PF=1.0的单位功率因数校正；二是采用有源PFC电路，它的优点是能让电网输入端电流波形趋近正弦波，并与输入电网电压保持同相位，而且校正后的功率因数达到PF=0.99。

高频有源功率因数校正PFC（power factor correctioll）技术的核心是通过对交流电压进行全波整流滤波、DC/DC变换、取样比较控制，使输入电流平均值自动跟踪全波直流电压基准，保持输出电压稳定，并将畸变的窄脉冲校正成正弦波，提高单位输入功率因数。

它与传统开关电源的根本区别在于：不仅反馈输出电压取样，而且反馈输入平均电流；电流闭合环的基准信号为电压环误差取样与全波整流电压取样之积。

（2）PFC功率因数补偿型开关电源电路补偿原理　PFC方案完全不同于传统的功率因数补偿，它是针对非正弦电流波形而采取的提高线路功率因数，迫使AC线路电流追踪电压波形的瞬时变化轨迹，并使电流与电压保持同相位，使系统呈纯电阻性的技术措施。

为提高线路功率因数、抑制电流波形失真，必须采用PFC措施。PFC分无源和有源两种类型，目前流行的是有源PFC技术。有源PFC电路一般由一片功率控制IC为核心构成，它被置于桥式整流器和一只高压输出电容之间，也称作有源PFC变换器。有源PFC变换器一般使用升压形式，主要是在输出功率一定时，有较小的输出电流，从而可减小输出电容器的容量和体积，同时也可减小升压电感元件的绕组线径。有源PFC电路的基本结构与效果如图2-19（a）所示。

PFC电路方框原理如图2-19（b）、（c）所示，由储能电感L、场效应功率开关管VT、二极管VD2构成升压式（Boost）变换器。整流输入电压由R2、R1分压检测取样送到乘法器；输入电流经检测同时加到乘法器；输出电压由R4、R3分压检测取样与参考电压比较，经误差放大也送到乘法器。在较大动态范围内，模拟乘法器的传输特性呈线性。当正弦波交流输入电压从零上升至峰值期时，乘法器将3路输入信号处理后输出相应电平去控制PWM比较器的门限值，然后与锯齿波比较产生PWM调制信号加到MOSFET管栅极，调整漏源极导通宽度和时间，使它同步跟踪电网输入电压的变化，让PFC电路的负载相对交流电网呈纯电阻特性（又称RE电阻仿真器）；结果流过DC/DC一次回路感性电流峰值包络线紧跟正弦交流输入电压变化，获得与电网输入电压同频同相的正弦波电流。

图2-19（b）所示为双级式PFC电路，电路由升压PFC和DC/DC变换器组合而成，中间母线电压稳定在400V左右，前级完成升压和功率因数校正，后级实现降压输出与电位安全隔离。这种结构PFC对输入电流波形的控制采用乘法器，典型IC有MC33262p、MC34261、MIA821、UC3842（PWM/PFC复合芯片）等。

2.5.2　L6661+L6991构成的开关典型电路分析与检修

由L6561+L5991组合芯片构成的开关电源方案中，L6561构成前级有源功率因数校正电路，L5991构成开关电源控制电路，相关电路如图2-20所示。

（1）L6561介绍　L6561内部电路如图2-21所示，引脚功能如表2-1所示。

（2）整流滤波电路　220V交流电压经L1、R1、CX1、LF1、CX2、LF2、CY2、CY4构成的线路滤波器滤波、限流，滤除AC中的杂波和干扰，再经BD1、C3整流滤波后，形成一直流电压。因滤波电路电容C3储能较小，则在负载较轻时，经整流滤波后的电压为300V左右；在负载较重时，经整流滤波后的电压为230V左右。电路中，ZV201为压敏电阻，即在电源电压高于250V时，压敏电阻ZV201击穿短路，熔丝F熔断，这样可避免电网电压波动造成开关电源损坏，从而保护后级电路。

（3）功率因数校正（PFC）电路　PFC电路以IC1（L6561）为核心构成，具体工作过程如下：

输入电压的变化经R2、R3、R4分压后加到L6561的3脚，送到内部乘法器。输出电压的变化经R11、R59、R12、R14分压后由L6561的1脚输入，经内部比较放大后，也送到内部乘法器。L6561乘法器根据输入的这些参数进行对比与运算，确定输出端7脚的脉冲占空比，维持输出电压的稳定。在一定的输出功率下，当输入电压降低，L6561的7脚输出的脉冲占空比变大；当输入电压升高，L6561的7脚输出的脉冲占空比变小。

驱动管VT1在L6561的7脚驱动脉冲的控制下工作在开关状态。当VT1导通时，由BD1整流后的电压经电感L3、VT1的D-S极到地，形成回路；当VT1截止时，由BD1整流输出的电压经电感L3、VD2、H11、C9、C26到地，对C9、C26充电。同时，流过L3的电流呈减小趋势，电感两端必然产生左负右正的感应电压，这一感应电压与BD1整流后的直流分量叠加，在滤波电容C9、C26正端形成400V左右的直流电压，这样不但提高了电源利用电网的效率，而且使得流过L3的电流波形和输入电压的波形趋于一致，从而达到提高功率因数的目的。

（4）启动与振荡电路　C9、C26两端的400V左右的直流电压经R17加到VT2的漏极，同时经R55、R54、R56加到VT2的栅极。因稳压管VZ2的稳压值高于L5991的启动电压，开机后VT2导通，通过8脚为L5991提供启动电压。开关电源工作后，开关变压器T1自馈电绕组感应的脉冲电压经VD15整流、R19限流、C15滤波后，再经VD14、C14整流滤波，加到L5991的8脚，取代启动电路，为L5991提供启动后的工作电压，并使8脚与C14两端电压维持在13V左右，同时L5991的4脚基准电压由开机时的0V变为正常值5V，使VT3导通、VT2截止，启动电路停止工作，L5991的供电完全由辅助电源（开关变压器T1的自馈绕组）取代。启动电路停止工作后，整个启动电路只有稳压管VZ2和限流电阻R55、R54、R56支路消耗电能，从而启动电路本身的耗电非常小。

L5991启动后，内部振荡电路开始工作，振荡频率由与2脚相连的R35、C18决定，振荡频率约为14kHz，由内部驱动电路驱动后，从L5991的10脚输出的电压经VT8、VT11推挽放大后，驱动开关管VT4、VT12工作在开关状态。

（5）稳压控制　稳压电路由取样电路R45、VR1、R48，误差取样放大器IC4（TL431），光电耦合器IC3等元器件构成。具体稳压过程是：若开关电源输出的24V电压升高，经R45、VR1、R48分压后的电压升高，即误差取样放大器IC4的R极电压升高，IC4的K端电压下降，使得流过光电耦合器IC3内部发光半导体二极管的电流加大，IC3中的发光半导体二极管发光增强，IC3中的光敏半导体三极管导通增强，这样L5991的5脚误差信号输入端电压升高，10脚输出驱动脉冲使开关管VT4、VT12导通时间减小，从而使输出电压下降。

（6）保护电路

①过压保护电路　过压保护电路由VT10、VZ4、VZ5、VZ6等配合稳压控制电路构成，具体控制过程是：当24V输出电压超过VZ5、VZ6的稳压值或12V输出电压超过VZ4的稳压值时，VZ5、VZ6或VZ4导通，半导体三极管VT10导通，其集电极为低电平，使光电耦合器IC3内的发光半导体二极管两端电压增大较多，导致电源控制电路L5991的5脚误差信号输入端电压升高较大，控制L5991的10脚停止输出，开关管VT4、VT12截止，从而达到过压保护的目的。

②过流保护电路　开关电源控制电路L5991的13脚为开关管电流检测端。正常时开关管电流取样电阻R37、R29两端取样电压大约为1V（最大脉冲电压），当此电压超过1.2V时（如开关电源次级负载短路时），L5991内部的保护电路启动，12脚停止输出，控制开关管VT4、VT12截止，并同时使7脚软启动电容C19放电，C19放电后，L5991内电路重新对C19进行充电，直至C19两端电压被充电到5V时，L5991才重新使开关管VT4、VT12导通。若过载状态只持续很短时间，保护电路启动后，开关电源会重新进入正常工作状态，不影响显示器的正常工作。若开关管VT4、VT12重新导通后，过载状态仍然存在（开关管电流仍然过大），L5991将再次控制开关管截止。

2.5.3　TDA16888+UC3843构成的开关典型电路分析与检修

由TDA16888+UC3843构成的相关电路如图2-22所示。

（1）主开关电源电路　主开关电源电路以IC1（TDA16888）为核心构成，主要用来产生24V和12V电压。TDA16888是英飞凌（Infineon）公司推出的具有PFC功能的电源控制芯片，其内置的PFC控制器和PWM控制器可以同步工作。PFC和PWM集成在同一芯片内，因此具有电路简单、成本低、损耗小和工作可靠性高等优点，这也是TDA16888应用最普及的原因。TDA16888内部的PFC部分主要有电压误差放大器、模拟乘法器、电流放大器、3组电压比较器、3组运算放大器、RS触发器及驱动级。PWM部分主要有精密基准电压源、DSC振荡器、电压比较器、RS触发器及驱动级。此外，TDA16888内部还设有过压、欠压、峰值电流限制、过流、断线掉电等完善的保护功能。图2-23所示为TDA16888内部电路，其引脚功能如表2-2所示。

①整流滤波电路　220V左右的交流电压先经延迟熔丝F1，然后进入由CY1、CY2、THR1、R8A、R9A、ZNR1、CX1、LF1、CX2、LF4构成的交流抗干扰电路，滤除市电中的高频干扰信号，同时保证开关电源产生的高频信号不窜入电网。电路中，THR1是热敏电阻器，主要防止浪涌电流对电路的冲击；ZNR1为压敏电阻，即在电源电压高于250V时，压敏电阻ZNR1击穿短路，熔丝F1熔断，这样可避免电网电压波动造成开关电源损坏，从而保护后级电路。

经交流抗干扰电路滤波后的交流电压送到由BD1、CX3、L7、CX4构成的整流滤波电路，经BD1整流滤波后，形成一直流电压。因滤波电路电容CX3储能较小，则在负载较轻时，经整流滤波后的电压为310V左右；在负载较重时，经整流滤波后的电压为230V左右。

②PFC电路　输入电压的变化经R10A、R10B、R10C、R10D加到TDA16888的1脚，输出电压的变化经R17D、R17C、R17B、R17A加到TDA16888的10脚，TDA16888内部根据这些参数进行对比与运算，确定输出端8脚的脉冲占空比，维持输出电压的稳定。在一定的输出功率下，当输入电压降低，TDA16888的8脚输出的脉冲占空比变大；当输入电压升高，TDA16888的8脚输出的脉冲占空比变小。在一定的输入电压下，当输出功率变小，TDA16888的8脚输出的脉冲占空比变小；反之亦然。

TDA16888的8脚的PFC驱动脉冲信号经过VT4、VT15推挽放大后，驱动开关管VT1、VT2处于开关状态。当VT1、VT2饱和导通时，由BD1、CX3整流后的电压经电感L1、VT1和VT2的D、S极到地，形成回路：当VT1、VT2截止时，由BD1、CX3整流滤波后的电压经电感L1、VD1、C1到地，对C1充电，同时，流过电感L1的电流呈减小趋势，电感两端必然产生左负右正的感应电压，这一感应电压与BD11、CX3整流滤波后的直流分量叠加，在滤波电容C1正端形成400V左右的直流电压，不但提高了电源利用电网的效率，而且使得流过L1（PFC电感）的电流波形和输入电压的波形趋于一致，从而达到提高功率因数的目的。

③启动与振荡电路　当接通电源时，从副开关电源电路产生的VCC1电压经VT5、R46稳压后，加到TDA16888的9脚，TDA16888得到启动电压后，内部电路开始工作，并从10脚输出PWM驱动信号，经过VT12、VT13推挽放大后，分成两路，分别驱动VT3和VT11处于开关状态。

当TDA16888的10脚输出的PWM驱动信号为高电平时，VT13导通，VT12截止，VT12、VT13发射极输出高电平信号，控制开关管VT3导通，同时，信号另一支路经C5、T3，控制VT11导通，此时，开关变压器T2存储能量。

当TDA16888的10脚输出的PWM驱动信号为低电平时，VT13截止，VT12导通，VT12、VT13发射极输出低电平信号，控制开关管VT3截止，同时，信号另一支路经C5、T3，控制VT11也截止，此时，开关变压器T2通过次级绕组释放能量，从而使次级绕组输出工作电压。

④稳压控制电路　当次级24V电压输出端输出电压升高时，经R54、R53分压后，误差放大器U11（TL431）的控制极电压升高，U11的K极（上端）电压下降，流过光电耦合器U4中发光二极管的电流增大，其发光强度增强，则光敏三极管导通加强，使TDA16888的14脚电压下降，经TDA16888内部电路检测后，控制开关管VT3、VT11提前截止，使开关电源的输出电压下降到正常值；反之，当输出电压降低时，经上述稳压电路的负反馈作用，开关管VT3、VT11导通时间变长，使输出电压上升到正常值。

⑤保护电路　过流保护电路：TDA16888的3脚为过流检测端，流经开关管VT3源极电阻R2两端的取样电压增大，使加到TDA16888的3脚的电压增大，当3脚电压增大到阈值电压时，TDA16888关断10脚输出。

过压保护电路：当24V或12V输出电压超过一定值时，稳压管VZ3或VZ4导通，通过VD19或VD18加在U8的5脚电位升高，U8的7脚输出高电平，控制VT8、VT7导通，使光电耦合器U5内发光二极管的正极被钳位在低电平而不发光，光敏三极管不能导通，进而控制VT5截止，这样，由副开关电源产生的VCC1电压不能加到TDA16888的9脚，TDA16888停止工作。

（2）副开关电源电路　副开关电源电路以电源控制芯片U2（UC3843）为核心构成，用来产生30V、5V电压，并为主开关电源的电源控制芯片U1（TDA16888）提供VCC1启动电压。

副开关电源电路如图2-24所示。UC3843控制芯片与外围振荡定时元件、开关管、开关变压器可构成功能完善的他励式开关电源。UC3843引脚功能如表2-3所示。

①启动与振荡电路　由VD6整流、C49滤波后产生的300V左右的直流电压一路经开关变压器T1的1-2绕组送到场效应开关管VT9的漏极（D极）。另一路经R80A、R80B、R80C、R80D对C8充电，当C8两端电压达到8.5V时，UC3843的7脚内的基准电压发生器产生5V基准电压，从8脚输出，经R89、C42形成回路，对C42充电，当C42充电到一定值时，C42就通过UC3843很快放电，在UC3843的4脚上产生锯齿波电压，送到内部振荡器，从UC3843的6脚输出脉宽可控的矩形脉冲，控制开关管VT9工作在开关状态。VT9工作后，在T1的4-3反馈绕组上感应的脉冲电压经R15限流以及VD4、C8整流滤波后，产生12V左右直流电压，将取代启动电路，为UC3843的7脚供电。

②稳压调节电路　当电网电压升高或负载变轻，引起T1输出端+5V电压升高时，经R22、R23分压取样后，加到误差放大器U6（TL431）的R端电压升高，导致K端电压下降，光电耦合器U3内发光二极管电流增大，发光加强，导致U3内光敏三极管电流增大，相当于光敏三极管ce结电阻减小，使UC3843的1脚电压下降，控制UC3843的6脚输出脉冲的高电平时间减小，开关管VT9导通时间缩短，其次级绕组感应电压降低，5V电压输出端电压降低，达到稳压的目的。若5V电压输出端电压下降，则稳压过程相反。

③保护电路　欠电压保护电路：当UC3843的启动电压低于8.5V时，UC3843不能启动，其8脚无5V基准电压输出，开关电源电路不能工作。当UC3843已启动，但负载有过电流使T1的感抗下降，其反馈绕组输出的工作电压低于7.6V时，UC3843的7脚内部的施密特触发器动作，控制9脚无5V输出，UC3843停止工作，避免了VT9因激励不足而损坏。

过电流保护电路：开关管VT9源极（S）的电阻R87不但用于稳压和调压控制，而且还作为过电流取样电阻；当因某种原因（如负载短路）引起VT9源极的电流增大时，R87上的电压降增大，UC3843的3脚电压升高，当3脚电压上升到1V时，UC3843的6脚无脉冲电压输出，VT9截止，电源停止工作，实现过电流保护。

（3）待机控制电路　开机时，MCU输出的ON/OFF信号为高电平，使加到误差放大器U8的2脚电压为高电平，U8的1脚输出低电平，三极管VT6导通，光电耦合器U5的发光二极管发光，光敏三极管导通，进而控制VT5导通。这样，由副开关电源产生的VCC1电压可以加到TDA16888的9脚。

待机时，ON/OFF信号为低电平，使加到误差放大器U8的2脚电压为低电平，U8的1脚输出高电平，三极管VT6截止，光电耦合器U5的发光二极管不能发光，光敏三极管不导通，进而控制VT5截止。这样，由副开关电源产生的VCC1电压不能加到TDA16888的9脚，TDA16888停止工作。