Modeling and Simulation
Vol.3 No.04(2014), Article ID:14323,7 pages
DOI:10.12677/MOS.2014.34011

Modeling and Application of PFC Chip L4981A

Honglei Wang, Dunxin Bian, Hui Shan, Bing Wang

Shandong University of Technology, Zibo

Email: 18369948455@163.com

Copyright © 2014 by authors and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Received: Sep. 15th, 2014; revised: Oct. 22nd, 2014; accepted: Nov. 2nd, 2014

ABSTRACT

In order 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 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 reference value in analysis and design of power equipment. The idea provides an effective analysis and implementation method for other control chips.

Keywords:L4981A, Power Factor Correction, Simulation Modeling

功率因数校正芯片L4981A的仿真建模及应用

王红蕾,边敦新,单  辉,王  冰

山东理工大学,淄博

Email: 18369948455@163.com

收稿日期:2014年9月15日;修回日期:2014年10月22日;录用日期:2014年11月2日

摘  要

为了在电源开发设计过程中利用PSIM仿真软件提高电源设计效率,本文基于L4981A的工作原理与特性,建立了PSIM库中欠缺的L4981A的仿真模型。利用该模型对意法半导体的AN827应用手册的APFC电路进行仿真,并参照手册参数与模型的静态特性进行对比,仿真结果与手册参数一致。结论表明该模型可以用于模拟实际电路的运行,对电源的分析与设计具有很好的参考价值,也为其他控制芯片的仿真建模提供了有效的分析手段与实现方法。

关键词

L4981A,功率因数校正,仿真建模

1. 引言

随着电源技术的不断发展,由高频开关电源带来的谐波污染问题越来越严重,解决这一问题的办法就是对用电设备采用功率因数校正技术。L4981A是一款保护功能完善的高功率因数控制器。仿真软件在电力电子的分析与设计中可以缩短开发周期、节省设计成本,还可以加深设计者对系统工作状态的理解。PSIM是一款专为电力电子和电机控制设计的仿真软件,为控制环路分析与电机驱动系统设计提供了强大的仿真开发环境;与SABER、PSPICE等仿真软件相比,其仿真过程更迅速,界面更友好[1] 。

因电力电子仿真软件缺少对L4981A的仿真支持,本文利用PSIM软件的建模功能,以L4981A为仿真对象,建立L4981A的仿真模型,基本实现了L4981A的所有功能,并且将该模型应用到意法半导体的应用手册AN827中,仿真获取系统的静态特性曲线,最终仿真结果与手册参数一致,验证了该建模的可靠性与可行性。为以后利用PSIM软件对电源的分析与设计提供便利。

2. 工作原理

L4981A是意法半导体公司生产的功率因数校正PWM集成芯片,由内部基准稳压器、误差放大器、峰值电压比较器、乘法器、振荡器、驱动和控制逻辑电路等组成,同时它还具有过欠压和软启动保护功能[2] 。其内部框图如图1所示。

前置变换器输出电压反馈信号VFEED接入电压误差放大器,与5.1 V基准电压Vref误差放大后输入到乘法器。乘法器输出电流Imo输入到电流放大器的同相输入端,与线电流反馈信号Isense误差放大后生成PWM比较器的基准信号。该基准信号与振荡器输出信号比较,输出变化的占空比,进而实现对输出电压的控制,实现电路功能[3] 。

3. 仿真建模

通过对L4981A工作原理的分析与梳理,把其内部结构模块化,然后对模块进行建模、整合。

乘法器模块是系统的核心模块,对控制输入电流Iin与输入电压Vin同相位且为正弦波起关键作用;脉冲发生模块用于设置系统工作频率;保护模块用于保证芯片的正常工作。把上述三个模块整合起来即可得到PSIM/SIMCAD环境下L4981A的仿真系统建模框图。

3.1. 乘法器模块

乘法器主要由四个变量控制:输出电压反馈信号VFEED、线电压有效值Vrms、交流电流输入Iac

Figure 1. Internal block diagram of L4981A

图1. L4981A内部框图

变量VLFF。乘法器的输出有控制Vout的成分,VFEED接入电压误差放大器后,与芯片内部5.1 V基准电压Vref误差比较放大后输入到乘法器,改变乘法器的输出电流Imo,进而控制功率开关管的导通时间以实现稳压[4] 。

获得上述这些控制变量之后,利用PSIM库中的传递函数、传感器、误差放大器等模块搭建乘法器模块,实现模块整合。由芯片手册可知,各控制变量的数量关系如下:

(1)

当引脚LFF与Vref引脚相连时:

(2)

式中:Imo为乘法器的输出电流;Iac为交流电流输入;Vva-out为电压误差放大器的输出电压;VLFF为负载前馈信号;Vrms为线电压有效值。

图2中的传感器模块把电力电路的电压电流传到控制电路,以实现各控制变量之间的运算。在运算过程中电力回路波形的各采样点参数均遵循运算规则。

3.2. 脉冲发生模块

3.2.1. 振荡器模块

L4981A的振荡器模块是通过外接充电电容Cosc和时间电阻Rosc来实现的。设计时用内部5.1 V的参考电压Vref配合两个比较器设定Cosc充放电电压的上下阀值,再配合SR锁存器控制Cosc充放电回路的通断来实现三角波的发生。其中,三角波的上下峰值电压分别为1.5 V,6.5 V,当电容电压充电到6.5 V时,锁存器锁存一个信号,电容放电;当电容电压降至1.5 V时,电容充电,就这样电容周而复始的进行充放电。其中,时间电阻Rosc决定充电电容Cosc充放电电流的大小,Rosc引脚的参考电压为1.28 V[4] 。

由Rosc决定的充放电电流分别为Ic、Id

通过调整Cosc和Rosc就能调整振荡器的振荡频率,振荡频率如下:

(3)

(4)

通过调整Cosc和Rosc就能调整振荡器的振荡频率,振荡频率如下:

(5)

式中:fsw为PWM开关频率;Vrsp为振荡器斜坡信号峰–峰值,典型值为5 V。模型实现如图3所示。

3.2.2. 脉冲发生模块

脉冲发生模块以电流误差放大器输出为载波,以三角波为调制波,两者交点确定开关管的开通时间,产生一系列等幅不等宽的脉冲波形,从而控制开关管的导通关断时间,维持输出电压的基本稳定。

4. PSIM仿真模型的应用

为了验证芯片建模的有效性,把模型应用到意法半导体公司AN827手册的原理图中进行验证[5] 。模型中的参数均按照AN827的要求设置,如无特殊说明,默认输入电压为220Vac

手册设计要求如下:交流输入电压Vin的范围是88~264 Vac,直流输出电压Vout = 400 V,满载输出脉动电压ΔVripple = ±8 V,额定输出功率Pout = 500 W,最大输出电压Vomax = 450 V,开关频率fsw = 80 kHz,最大电感电流脉动ΔIL = 23%,输入功率因数PF > 0.99,输入线电流总谐波 < 5%。

Figure 2. Multiplier module

图2. 乘法器模块

Figure 3. Oscillator module

图3. 振荡器模块

Figure 4. Schematic simulation of APFC

图4. APFC仿真原理图

Figure 5. The output voltage waveform

图5. 输出电压Vout波形

Figure 6. The waveform of input current Iin, input voltage Vin and THD after correction

图6. 校正后的输入电流Iin、输入电压Vin、THD波形

PSIM仿真采用已设定的时间步长,为了保证精确的仿真结果,仿真时间步长在这里设置为1e-007。PSIM环境下的BOOST型APFC电路的仿真模型如图4所示,仿真结果如图5图6所示。

图5可以看出,满载时的Vout为400 V,ΔVripple保持在±8 V之内。图6表明交流侧电压、电流始终保持同相,且电流能实现正弦化。实验测得总谐波畸变THD保持在3.3%左右,最终PF能达到0.99以上,校正效果良好。

5. 结论

本文基于PSIM的建模工具建立了L4981A的仿真模型,配合应用手册AN827的BOOST型APFC电路进行了电路的仿真验证,并与模型的静态特性进行对比。仿真实验表明:该模型具有较强的功率因数校正功能,输出能够平稳运行,仿真结果与应用手册的参数吻合;该模型可以用于分析实际电路的工作特性,对电源系统的设计和调试具有一定的参考价值。

致  谢

实验室的刘萌和王建同学在建模与调试过程中提出了建议,使仿真模型更加完善,系统更加稳定,在此向他们所做的工作表示感谢!

参考文献 (References)

  1. [1]   华建军, 沈艳霞, 纪志成 (2007) 基于PSIM断续导通模式的DC-DC变换器的建模与仿真研究. 电机与控制学报, 5, 522-528.

  2. [2]   钱伟康, 郑刚, 谢明 (2011) 基于L4981A的直流升压变换器的设计与实现. 测控技术, 2, 60-63, 68.

  3. [3]   夏泽中, 施三保 (2006) 一种高功率因数整流器的设计与实现. 电气自动化, 4, 15-17.

  4. [4]   ST (1997) Designing a high power factor switching preregulator with L4981A continuous mode.
    http://www.st.com/web/en/resource/technical/document/application_note/CD00003936.pdf

  5. [5]   ST (2003) Application note: A 500W high power factor with the L4981A continuous mode.
    http://www.st.com/web/en/resource/technical/document/application_note/CD00043733.pdf

附录

1、主电路器件参数:

输入滤波电容C1 = 0.68 uF;

升压电感L1 = 0.5 mH;

输出电容C6 = 330 uF;

采样电阻R = 0.333 Ω;

2、其他电路器件参数:

(1) MOSFET处的RCD关断缓冲器参数:C11 = 892 pF;R23 = R24 = 510 Ω

(2) Ipk过电流保护的器件参数:R12 = 562 Ω;R13 = 5.1 k

(3) Iac交流电流输入端器件参数:R1 = R2 = 806 k

(4) OVP过电压保护,输出分压电路的器件参数:R11 = 21 k;R21 = R22 = 909 k

(5) CA-OUT电流放大器输出的器件参数:R14 = R16 = 2.7 k;R15 = 36 k;C9 = 680 pF

(6) Vrms线电压有效值检测信号输入端的器件参数:R3 = 33 kΩ;R4 = 360 kΩ;R5 = R6 = 620 kΩ;C25 = C2 = 220 nF

(7) Isense电流放大器反相输入端的器件参数:R14 = R16 = 2.7 k

(8) Vref外部滤波电容:C7 = 1 uF

(9) SS软启动的器件参数:C8 = 1 uF

(10) VAOUT误差放大器输出端的器件参数:C10 = 220 nF;R19 = 120 k

(11) VFEED电压误差放大器反向输入端的器件参数:R9 = R10 = 412 k

(12) 震荡电路参数:C4 = 1 nF;R17 = 30.1 k 3、L4981A内部仿真结构图

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