一种用于PFC的模拟乘法器设计

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随着家庭用电设备越来越多,大量的电流谐波分量倒流入电网,造成电网的谐波“污染”。为了抑制这些电流谐波分量,采用功率因素校正技术(PFC)。目前对功率因素校正技术的研究取得了许多成果,其中,在拓扑结构方面,Boost型PFC技术已经完善,在控制方面,以电流环、电压环的双环控制比较成熟。模拟乘法器的设计是实现输入电流跟随输入电压重要的一部分,通过对乘法器的输出与电感电流的峰值比较,在变频控制下,控制功率开关管的打开,使开启时间固定为一个常数,功率因素理论上为单位值。

1 变频控制的基本原理

为了得到理论上等于1的功率因素,Boost型PFC通常采用变频控制法。在Boost拓扑电路中,电感电流等于输入电流。在变频控制下,电感电流(即输入电流)的平均值为:



从式(1)可以看到,如果功率管开启时间TON始终是一个同定值,电感电流的平均值与输入电压VI成正比,功率因素在理论上将为1,这就是变频控制的基本原理。由于电感始终处在临界导电模式,所以义称临界导电控制法。

2 乘法器在变频控制中的作用

为了在Boost型电路中实现功率管开启时间为定值,引进了模拟乘法器。在PFC工作在稳定状态时,模拟乘法器的输出电压VMULT与电感电流检测电阻Rs上的电压VRs比较,当VMULT小于VRs时,功率管关断,因而开启时间固定。乘法器的输出电压为:



式中,k是一个常数值,Vc在稳定工作状态下也近乎常数值。



很明显,开启时间和输入电压无关,只和常系数k、电感L和检测电阻Rs有关。

3 乘法器

3.1 乘法器的基本原理

根据图1所示的乘法器的基本结构,VQ3和VQ4组成一个共射差分对,电流源Iss提供差分对电流偏置,VQ5、VQ6作为差分对的有源负载。VQ3和VQ4是完全相同的三极管,Vid2>0,根据推导,



VQ3和VQ4的集电极电流差通过VQ7、VQ8和VQ9组成的镜像电流源镜像到VQ1和VQ2的共射极端,给VQ1和VQ2提供偏置电流,因此,



同样,完全相同的VQ1和VQ2也组成一个共射差分对,IEE为这两个管子提供偏置电流。Vid1>0,可得:



当(Ic1-Ic2)这个电流差流过1只取样电阻,2个输入电压的乘积结果就是1个电压值。



3.2 电压衰减电路

要使乘法器能够正常工作,2个输入信号电压必须小于2VT,这样将大大缩小输入电压范围,也就大大限制了电路应用。为了扩大输入电压的输入范围。必须把输入电压进行线性衰减,使衰减后的输入电压满足小于2VT,从而能够实现乘法功能。因此,在乘法器的输入端加入了一个电压衰减电路。基本的电压衰减电路如图2所示。



双极管VQ3和VQ4完全一样,VQ1和VQ2也是相同,电流源I为电路提供电流偏置,输入V1和输出V0的关系式为:



只要调整R或I的值,输入电压就可以得到很好衰减。

3.3 偏置电路

电流偏置电路如图3所示。VQ3、VQ4和R1、R2组成基本的镜像电流电路,VQ2为了减小电流增益β对电路的影响。晶体管的集电极电流为:



式中,Iss是发射极反向饱和电流,与发射极的横截面积成正比。



VQ3和VQ4的VEB相等,R1的阻值是R2的2倍,但是VQ4的发射极的横截面积是VQ3的2倍,因此,输出的电流I是VQ1的集电极的2倍。所以,想要得到数倍于VQ1集电极电流,可调整VQ4的电阻值和发射极的横截面积。

4 仿真结果

图4为Cadence的仿真结果。仿真条件为Vdd=7V,Vbias=2.5 V,乘法器的一端输入为全桥整流后幅度为3 V的正弦波,另一端输入为直流电压1 V。可以看到,输出波形是与输入同频同相的半正弦波,幅度是1.2 V。



5 结束语

详细分析了乘法器电路的工作原理。根据电路应用的需要,灵活调整电阻值R0、电流I1和I2的值。此电路可广泛应用于需要乘法器单元的电流控制PFC电路。