西門子PLC模塊6ES7313-6BG04-0AB0

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3種模式的對比

●這三種模式，其本質上的區(qū)分是流過電感的電流。

★CCM，電感電流是連續(xù)的；

★BCM，電感電流不連續(xù)，但不會持續(xù)為0；

★DCM，電感電流有持續(xù)為0的時候。

●從電源功率來說：CCM > BCM > DCM。

★理論上來說，高功率的也可以用于低功率，但CCM的控制環(huán)路存在巨大缺陷，無法做到高切換頻率，因此在小功率段通常是不使用CCM的。

BCM的實現方法

●要讓BCM的平均電流為正弦，需要兩個條件：

★流過電感的電流的峰值包絡為正弦；

★輸入平均電流和電感峰值成比例。

●對于第二個條件，除了boost外，其他拓撲都做不到，如下圖所示：

★Boost拓撲在整個周期內都有輸入電流，平均電流正好是包絡電流的1/2，而對于其他拓撲，只有在TON時間內，輸入電流才有，Toff時間內輸入電流為0，這樣就導致平均電流和峰值電流并不是一個固定的比例關系。

Boost實現BCM的方法

●電路需要得到2個時間點，當前周期的TON結束和當前周期的TOFF結束的時刻。

★當前周期的TON結束由電流峰值比較器來檢測，而TOFF的結束由過零比較器來檢測。

導通時間的問題

●仔細觀察BCM，可以看到導通時間貌似是恒定的，這個不是故意畫得一樣，而是有原因的

●電感上的電流可以用如下公式來表示：

●這個公式可以看到，電感上的電流直線上升，上升斜率取決于輸入電壓，而上升的終點同樣取決于輸入電壓，這樣就導致導通時間最終和輸入電壓無關了。

PFC方法的改進-固定導通時間

●又前面的分析可知，Boost實現PFC后，導通時間變成恒定了，那么反過來，一上來就將導通時間設成恒定，是不是也能實現PFC，答案是肯定的。

★改進后，就成了主動固定導通時間，因而省掉了峰值電流比較電路。

★固定導通時間是目前非常主流的PFC技術，適合用數字控制，計數器產生固定寬度的正脈沖，每次過零比較器檢測到退磁點，便產生一個正脈沖。

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PFC電源調整輸出電壓的方法

●很多電源都有穩(wěn)壓的需求，所謂穩(wěn)壓實際上就是調整電源傳遞的能量，對于固定導通時間來說，調整峰值電流的包絡線就可以調整平均電流，也就調整了輸入功率，進而調整了輸出電壓。

★因為輸入電壓為AC，總是不變的，因此電感上電流斜率是不變的，縮放包絡線后，相當于改變了峰值電流比較器的閾值，電感上的電流三角波會變化，包絡線越矮，平均電流越小，輸出功率越低，TON時間越短，開關的切換頻率越高。

輸出穩(wěn)壓的方法

●由前面的分析可知，要調整輸出電壓，只需要調整TON即可，因此將輸出電壓反饋回來，調整TON即可。

BCM的問題和解決

●BCM的特點是輸出功率越低，切換頻率越高，如果電源本身需要在較大的輸出功率內切換，比如調光，需要在1%-100%之內切換，開關管的切換頻率也需要接近100倍的變化范圍。

★這么大的變化范圍是無法實現的，無論是MOS還是電感，都不可能在這么大的切換頻率內始終保持工作狀態(tài)。

●解決方法是在每個周期插入死區(qū)等待時間，使BCM變成DCM模式。

加入死區(qū)等待的DCM

●如果需要降低輸入電流，可以不調整TON ，但是在每個切換周期后面增加等待時間，輸入電流降低越多，等待時間越長，在TON不變的情況下，輸入電流越低，頻率越低。

★如果調整范圍不大的話，加入死區(qū)等待就足夠了，如果調整范圍大的話，可以結合死區(qū)等待和包絡線調整，或者以一個為主，另一個為輔，比如以包絡線為主，死區(qū)等待為輔，或者使用兩個技術實現更精細的調整。

--數字控制的方式，TON的最小調整粒度為1個TCLK ，而引入死區(qū)等待（補償）后，最下調整粒度可以高于一個TCLK。

結合死區(qū)等待后的穩(wěn)壓算法

●同時使用調節(jié)TON和TDEAD后，控制算法會變得復雜，一種算法思路如下：

★以TON為主來調節(jié)輸出功率，通過TON調節(jié)包絡線的高度，TDEAD存在是為了調節(jié)頻率，這樣就得到了2種方法：

--先調TON ， TON調不動了后再調TDEAD ，或者先調TDEAD，再調TON；

--先調TON ， TON調不動了后再調TDEAD ，或者先調TDEAD，再調TON；

對比幾種算法

●從開發(fā)難度來說，一次調一個參數肯定比一次調多個參數要簡單，但一次調多個參數可以實現更豐富的算法，比如對參數進加權，就可以實現不同的曲線效果，甚至可以做到自始至終切換頻率不變。

★注意到兩個參數的曲線總是不同趨勢的， TON增加，切換頻率降低，而TDEAD減少，切換頻率升高，因此理論上可以做到切換頻率不變。

死區(qū)時間的多周期均衡關系

●在BCM情況下，平均電流天然就是正弦，而引入死區(qū)等待后，變成DCM，平均電流不再能天然正弦，這個時候需要使用數字算法來均衡每個周期的TDEAD，使平均電流依然既能保持正弦形狀。

★所謂均衡，就是指插入到各個周期內的TDEAD保持一定的關系。

●均衡算法的開發(fā)思路如下：

擴展到其他拓撲

●前面分析過，Boost相比其他拓撲的優(yōu)勢在于TON和TON都有輸入電流，但引入死區(qū)時間后，TDEAD還是沒有電流，此時Boost相比其他拓撲的優(yōu)勢實際上沒有了，因此可以使用任何拓撲來實現PFC。

●假設依然使用固定導通時間，其他拓撲的TDEAD均衡算法開發(fā)思路如下：

PFC和恒流的沖突

●前面都是通過調節(jié)輸出電壓來調整輸出功率，但很多應用中是通過調節(jié)輸出電流來調整輸出功率的，這就給PFC帶來了很大的一個難題。

★穩(wěn)壓和穩(wěn)流最大的不同，在于穩(wěn)壓只需要保證很長一段時間內平均輸出電壓恒定即可，而目前的穩(wěn)流技術則需要使得每個切換周期的電流都保持恒定。

--為什么電壓可以看一段時間平均電壓，因為負載端都帶有大電容，這個電容上的電壓就是一段時間內的平均電壓，將這個電壓采樣反饋到輸入，就可以調節(jié)平均電壓。

--而電流則不行，目前沒有方法能讓每個周期電流都變化，而平均電流在一段時間內保持恒定，因為沒有辦法來采樣一段時間內的平均電流。

●PFC要求電流為正弦狀，也就是每個周期都不一樣，而恒流要求電流每個周期都一樣，這樣就形成了一對不可調和的矛盾。

解決PFC和恒流的沖突

●目前沒有看到有很好的方法能夠簡單的同時提高PF和恒流精度，已知的幾種方法如下：

★采樣2級方案，第一級為Boost，實現高PF，第二級實現恒流，這樣就避開了兩者的沖突，但缺點是成本高；

★采用切分周期的方法，將一個AC周期分成多個時間段，一些時間做PFC，另一些時間做恒流，如下圖所示，這樣可以單級實現，但效果相比2級就要差一些了。

●對于大功率，成本不敏感的場合來說，使用2級方案是很合適的，但對于成本敏感的場合，就需要下很大的功夫來進行優(yōu)化了。