高性能347W PFC级参考设计报告：HiperPFS™ PFS714EG的应用

在电子设备的电源设计中，功率因数校正（PFC）是至关重要的一环。今天我们来深入探讨一份关于使用HiperPFS™ PFS714EG的347W PFC级参考设计报告。

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一、设计概述

这份报告主要介绍了一款利用HiperPFS PFS714EG集成PFC控制器的PFC电源。该电源作为通用评估平台，可在90 - 264 VAC的通用输入下工作，提供380 V DC的稳压输出，连续输出功率达347 W。在25 ºC室温下，当输入电压为110 VAC及以上时，该电源能输出额定功率；若在更高温度或更低输入电压下运行，建议采用强制风冷。

特点总结

• 低元件数量与高性能：实现了低元件数量的同时保证了高性能的PFC。
• 符合标准：满足EN61000–3–2 Class–D标准。
• 高效节能：高PFC效率有助于实现80 + PC主设计。
• 频率滑动技术：通过频率滑动在整个负载范围内保持高效率。
• 前馈线路感应增益：在整个工作电压范围内保持相对恒定的环路增益。
• 出色的瞬态负载响应：能够快速响应负载变化。
• 封装优势：采用Power Integration eSIP低剖面、热阻封装。

二、电源规格

描述	符号	最小值	典型值	最大值	单位	注释
输入电压频率	V IN f LINE	90 47	50/60	264 64	VAC Hz	3线
效率（满载）	  80+	94 94			% %	在P OUT 25 ºC下测量，在115 VAC输入下测量
环境线浪涌（差模、共模）			1 2		kV kV	1.2/50 s浪涌，IEC 1000 - 4 - 5，串联阻抗：差模2 ，共模12 
环境温度	T AMB	0		50	ºC	当T AMB >25 ºC和/或V IN <115 V时，海平面处需要强制对流
辅助电源输入	V AUX	15		24	V	DC电源

三、电路分析

1. 输入EMI滤波器和整流器

保险丝F1为电路提供保护，在故障时将电路与交流电源隔离。二极管桥BR1对交流输入进行整流。电容C3、C4、C5、C6和C19与电感L1、L2和L3组成EMI滤波器，减少共模和差模噪声。电阻R1、R3和CAPZero（IC U2）用于在交流断开时对EMI滤波器电容放电，使用CAPZero可消除R1和R3的静态损耗，降低待机和空载输入。

2. PFS714EG升压转换器

升压转换器阶段由电感L5、二极管整流器D2、电容C15和PFS714EG IC U1组成。该转换器阶段控制电源的输入电流，同时调节输出直流电压。二极管D1在启动时通过旁路电感L5防止输出电压的谐振建立，同时对输出电容C15充电。热敏电阻RT1和RT2用于限制启动时的浪涌电流，但通常不同时使用。在大多数高性能设计中，常使用热敏电阻RT2，启动后用继电器旁路该热敏电阻以提高电源效率。电容C14和C21用于减少输出电路的环路长度和面积，降低EMI以及U1内部MOSFET漏源极间的电压过冲。

3. 偏置电源调节器

PFS714EG IC需要12 V的稳压电源才能正常工作，且电压必须保持在<13.4 V以避免IC损坏。电阻R6、R16、R17、齐纳二极管VR1和晶体管Q3组成并联调节器，防止IC U1的电源电压超过12 V。电容C8、C18和C20对电源电压进行滤波，确保IC U1可靠运行。

4. 输入前馈感应电路

电源的输入电压由IC U1通过电阻R4、R5和R19进行感应，电容C12对该信号上的任何噪声进行滤波。

5. 输出反馈

由电阻R9、R10、R11、R12、R13和R14组成的分压器网络用于缩放输出电压，并向IC U1提供反馈。由二极管D4、晶体管Q1、Q2和电阻R12、R13组成的非线性反馈电路有助于通过增加PFC电路对大输出电压变化的响应时间来改善瞬态响应。电阻R7、R8、R15和电容C13、C17用于塑造反馈电路的环路响应，电阻R8和电容C13的组合提供低频零点。

四、电感规格

1. 电气规格

初级电感在引脚1 - 4处测量，频率为kHz，0.4 V RMS时为1.38 mH，±8%。

2. 材料

• 磁芯：Magnetics Inc的77324A7。
• 电磁线：125/40 Served – Litz线。
• 底座：环形安装底座，Lodestone Pacific的P/N VTM160 - 4或类似产品。
• 高温环氧树脂：MG Chemicals的P/N: 832HT - 375ML。
• 分隔器：Panduit的PLT.7M - M或类似产品。

3. 绕线说明

在磁芯中插入2个分隔器将其平均分为2个部分。取约15英尺的电磁线，将线的中心与一个分隔器对齐。先在左侧部分绕23圈，均匀分布且不重叠；再在右侧部分绕23圈。接着在右侧部分继续绕第二层18圈，第三层13圈，同样均匀分布且不重叠。左侧部分的第二层和第三层绕法相同。最后用高温环氧树脂将电感固定在底座上，并将引线焊接到底座的引脚1和4上。

五、性能数据

1. 效率

在室温下，输入频率对于低于150 VAC的电压为60 Hz，对于150 VAC及以上为50 Hz。除附录中的数据外，所有性能数据均在热敏电阻RT1和RT2短路的情况下测量，以代表使用RT2限制浪涌电流并在启动后用继电器旁路RT2以提高运行效率的高性能配置。效率曲线展示了不同输出功率下的效率情况。

2. 输入功率因数

输入功率因数曲线显示了其随输出功率的变化情况。

3. 调节性能

包括负载调节和线路调节，通过相应的曲线展示了在不同负载和输入电压变化时输出电压的稳定性。

4. 输入电流谐波失真

在230 VAC输入、50 Hz的条件下，测量了50%负载和100%负载时的输入电流谐波失真情况。

5. 热性能

在测量前使设备达到热平衡，表格展示了在240 VAC和115 VAC输入、满载情况下关键组件的温度。同时还给出了不同输入电压、满载、无强制风冷、25ºC环境下电路板顶部和底部的红外图像。

6. 波形分析

包括不同输入电压和负载条件下的输入电流波形、启动波形、负载瞬态响应波形、线路中断波形、线路骤降和浪涌波形、输入电压变化时的波形以及输出纹波测量波形等。通过这些波形可以直观地了解电源在不同工况下的工作情况。

六、测试与测量

1. 增益 - 相位测量

通过特定的测试设置，在PFC阶段由可调直流电源供电，在反馈分压器网络的顶端插入100Ω - 2W电阻，注入信号进行增益 - 相位测量。测试过程包括调整输入电压、注入信号并绘制增益相位图，结果显示相位裕度大于45度。

2. 线路浪涌测试

在230 VAC输入下，进行了不同浪涌水平、注入位置和注入相位的测试，结果均通过。

3. EMI扫描

介绍了EMI测试设置，包括使用覆铜的有机玻璃板、连接测试点和负载等。给出了115 VAC和230 VAC、100%负载时的EMI扫描结果。

七、附录内容

1. 不同二极管和磁芯材料的效率

使用碳化硅肖特基二极管用于PFC输出可提高效率，不同电感磁芯材料在不同输入电压下对PFC效率的影响也有所不同，材料选择通常是价格与性能的权衡。

2. 效率测量测试设置

对于低于标称输入电压的性能评估，需要强制风冷。推荐的测试设置包括放置一个4.75”直径的交流风扇在RD - 236板右侧边缘约3”处，并使用高分辨率仪表测量输出电流和电压。

3. 电感电流测量设置

可在跳线JP5位置测量输出电感电流，将JP5替换为短导线环以插入电流探头。通过测量电感电流可以间接获取MOSFET的漏极电流信息。

在实际设计中，工程师们可以根据这些详细的设计报告和测试数据，结合具体应用需求，对电路进行优化和改进。同时，也可以思考如何进一步提高电源的效率、降低谐波失真以及增强其在不同工况下的稳定性，你在实际设计中遇到过哪些类似的挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验。