CRM模式PFC设计

CRM模式PFC设计之一——电感的计算

对于小功率电源一般都采用临界导通型(CRM)模式APFC，它出现在正弦波零跨越时，可以改变开关频率且可以使开关频率变得非常高，不过一般IC内部都有对频率上限进行限制，防止EMI测试无法通过。

CRM模式APFC原理图：

下面具体讲讲CRM模式APFC的电感的计算:

条件：

输入最低交流电压电压Vmin=85V,

输入最高交流电压电压Vmax=265V,

输入交流电源频率Fac=50Hz,

输出功率Pout=100W

输出直流电压Vout=390V

最低满载效率η=92%

开关频率f=100KHz

计算步骤如下：

1. 先根据效率计算出最大输入功率Pin-max=Pout/η=100/0.92=108.7W

2. 因为输入电流的最大值出现在最低输入交流电压AC85V时，

所以，输入电流最大有效值Iinrms-max=Pin/Vac=108.7/85=1.279A

即输入电流有效峰值Iinrms-pk=2*SQRT(2)*Iinrms-max=2*SQRT(2)*1.279=3.617A

3. 开关周期为T=1/f=1/100000=10uS

4. 最高输入电压时的导通时间

Ton-h=T*(1-SQRT(2)*Vin-max/Vout)=10*(1-SQRT(2)*265/390)=0.39uS

5. 最低输入电压时的导通时间

Ton-l=Ton-h*(Vin-max/Vin-min)2=0.39*(265/85) 2=3.8uS

6. 升压电感最小值Lmin=Vin*Ton-l/Iinrms-max=(85*3.8*10-6)/1.279*103=0.252mH

CRM模式PFC设计之二——铁硅铝电感的设计

在第一部分已经算出了包括BOOST电感最小值在内的所有主要参数。

下面说说用铁硅铝CORE设计CRM BOOST电感

先根据经验找一个铁硅铝的CORE，

CS203125,其参数如下：

AL=68nH/N2 ,u=125, Le=5.09CM, AW=1.14cm2, OD=21.1mm,ID=12.07mm

因CORE的AL值误差范围为±8%，最小ALmin=68*（1-0.08）=62.56nH/N2

得电感匝数N=SQRT(Lmin*106/ALmin)=SQRT(0.252*106/62.56)=63.5Ts,取64Ts

计算NI=N*Iinrms-pk=64*3.617=231.5

查CS203125 CORE的NI与AL的曲线图，231.5已经超出曲线图，说明此CORE偏小。

再选一规格稍大的CORE CS229125,其参数如下：

AL=90nH/N2 ,u=125, Le=5.67CM, AW=1.41cm2, OD=23.62mm,ID=13.39mm

最小ALmin=90*（1-0.08）=82.8nH/N2

得电感匝数N=SQRT(Lmin*106/ALmin)=SQRT(0.252*106/82.8)=55.2Ts,取55.5Ts

计算NI=N*Iinrms-pk=55.5*3.617=200.7

查CS229125 CORE的NI与AL的曲线图, NI值200.7对应的AL为41 nH/N2

此时对应初始磁导率AL的百分比B=41/90=45.6%

得实际最小升压电感量L =Lmin/B=0.252/0.456=555uH

下面计算绕线：

采用单股铜线，取其电流密度为4A/m2,

则所以的铜线直径

d=SQRT(Iinrms-pk/(4*3.14))*2=SQRT(3.617/(4*3.14))*2=0.638mm,采用标准线径0.65mm

2UEW漆包线的绝缘层厚度为0.15mm

则铜线外径为D=0.65+0.15*2=0.68mm

计算CORE第一层可容纳圈数Nm=(3.14*(ID-D/2)/D)-1=59.3Ts

因绕线不平整，实际第一层可容纳圈数Nm1=Nm*0.95=59.3*59.3=56.3Ts

得出，对于N=55.5Ts采用CS229125的Core刚好绕满一层。

到此设计采用铁硅铝设计CRM BOOST 电感全部完成。

考虑到100K的工作频率的趋肤效应，建议采用多股漆包线取代单股漆包线并饶。其相关换算在此省略。

CRM模式PFC设计之三——铁氧体电感的设计

下面说说用铁氧体CORE设计CRM BOOST电感

因为导通时间随输入电压的平方正反比，所以需在最低电压下选择磁芯的尺寸，在最低输入电压峰值时避免饱和，则：

SQRT(2)*Vin-min*Ton-l=N*Ae*Bs

其中：N为电感线圈的匝数；Ae为磁芯有效截面积；Bs为最大磁通密度，

为减小损耗防止磁芯饱和，Bm一般取最大磁通密度的70%以下。

一般采用PC40或同等材质的铁氧体，其Bs为390mT,

得，Bm=Bs*0.7=390*0.7=273mT.

则，L=Lmin/(Bm/Bs)=0.252/(273/390)=0.3605mH,取0.365mH.

整个窗口铜的截面积等式为Aw*Kw=Iin-max/j*N

其中j为铜线的电流密度，一般根据散热条件和趋肤效应取400~600，这里考虑到采用多股漆包线，j取600，

Kw为铜的有效利用系数（也就是拓扑系数）一般取0.4

即：N=Aw*Kw*j/Iin-max

根据Ae=SQRT(2)Vin-min*Ton-max/(N*B),

代入得：

AP=Ae*Aw=SQRT(2)*Vin-min*Iin-max*Ton-l/(Bs*j*Kw)=SQRT(2)*85*1.278*3.8*10-6

/(390*600*0.4)*1012=6235mm4

查磁芯目录得，RM10 PC40参数如下：Ae=98mm2, Aw=69.5mm2, Le=44mm,

AP=Ae*Aw=98*69.5=6811mm4>6235 mm4，可以采用。

则，升压电感匝数

N=(Lp*Ip)/(Bm*Ae)=(0.365*10-3*3.617)/((273*10-3)*(98*10-6)=49.3Ts,取50Ts

线径计算同之二，在此就不重复了……