一種用于PFC的模擬乘法器設(shè)計

隨著家庭用電設(shè)備越來越多，大量的電流諧波分量倒流入電網(wǎng)，造成電網(wǎng)的諧波“污染”。為了抑制這些電流諧波分量，采用功率因素校正技術(shù)(PFC)。目前對功率因素校正技術(shù)的研究取得了許多成果，其中，在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面，Boost型PFC技術(shù)已經(jīng)完善，在控制方面，以電流環(huán)、電壓環(huán)的雙環(huán)控制比較成熟。模擬乘法器的設(shè)計是實現(xiàn)輸入電流跟隨輸入電壓重要的一部分，通過對乘法器的輸出與電感電流的峰值比較，在變頻控制下，控制功率開關(guān)管的打開，使開啟時間固定為一個常數(shù)，功率因素理論上為單位值。

1 變頻控制的基本原理
    為了得到理論上等于1的功率因素，Boost型PFC通常采用變頻控制法。在Boost拓?fù)潆娐分校姼须娏鞯扔谳斎腚娏?。在變頻控制下，電感電流(即輸入電流)的平均值為：
   
    從式(1)可以看到，如果功率管開啟時間TON始終是一個同定值，電感電流的平均值與輸入電壓VI成正比，功率因素在理論上將為1，這就是變頻控制的基本原理。由于電感始終處在臨界導(dǎo)電模式，所以義稱臨界導(dǎo)電控制法。

2 乘法器在變頻控制中的作用
    為了在Boost型電路中實現(xiàn)功率管開啟時間為定值，引進(jìn)了模擬乘法器。在PFC工作在穩(wěn)定狀態(tài)時，模擬乘法器的輸出電壓VMULT與電感電流檢測電阻Rs上的電壓VRs比較，當(dāng)VMULT小于VRs時，功率管關(guān)斷，因而開啟時間固定。乘法器的輸出電壓為：
   
式中，k是一個常數(shù)值，Vc在穩(wěn)定工作狀態(tài)下也近乎常數(shù)值。
   
    很明顯，開啟時間和輸入電壓無關(guān)，只和常系數(shù)k、電感L和檢測電阻Rs有關(guān)。

3 乘法器
3．1 乘法器的基本原理
    根據(jù)圖1所示的乘法器的基本結(jié)構(gòu)，VQ3和VQ4組成一個共射差分對，電流源Iss提供差分對電流偏置，VQ5、VQ6作為差分對的有源負(fù)載。VQ3和VQ4是完全相同的三極管，Vid2>0，根據(jù)推導(dǎo)，
   

    VQ3和VQ4的集電極電流差通過VQ7、VQ8和VQ9組成的鏡像電流源鏡像到VQ1和VQ2的共射極端，給VQ1和VQ2提供偏置電流，因此，
   
    同樣，完全相同的VQ1和VQ2也組成一個共射差分對，IEE為這兩個管子提供偏置電流。Vid1>0，可得：
   
    當(dāng)(Ic1-Ic2)這個電流差流過1只取樣電阻，2個輸入電壓的乘積結(jié)果就是1個電壓值。
3．2 電壓衰減電路
    要使乘法器能夠正常工作，2個輸入信號電壓必須小于2VT，這樣將大大縮小輸入電壓范圍，也就大大限制了電路應(yīng)用。為了擴(kuò)大輸入電壓的輸入范圍。必須把輸入電壓進(jìn)行線性衰減，使衰減后的輸入電壓滿足小于2VT，從而能夠?qū)崿F(xiàn)乘法功能。因此，在乘法器的輸入端加入了一個電壓衰減電路?；镜碾妷核p電路如圖2所示。

    雙極管VQ3和VQ4完全一樣，VQ1和VQ2也是相同，電流源I為電路提供電流偏置，輸入V1和輸出V0的關(guān)系式為：
   
    只要調(diào)整R或I的值，輸入電壓就可以得到很好衰減。
3．3 偏置電路
    電流偏置電路如圖3所示。VQ3、VQ4和R1、R2組成基本的鏡像電流電路，VQ2為了減小電流增益β對電路的影響。晶體管的集電極電流為：
   
式中，Iss是發(fā)射極反向飽和電流，與發(fā)射極的橫截面積成正比。

    VQ3和VQ4的VEB相等，R1的阻值是R2的2倍，但是VQ4的發(fā)射極的橫截面積是VQ3的2倍，因此，輸出的電流I是VQ1的集電極的2倍。所以，想要得到數(shù)倍于VQ1集電極電流，可調(diào)整VQ4的電阻值和發(fā)射極的橫截面積。

4 仿真結(jié)果
    圖4為Cadence的仿真結(jié)果。仿真條件為Vdd=7V，Vbias=2．5 V，乘法器的一端輸入為全橋整流后幅度為3 V的正弦波，另一端輸入為直流電壓1 V?？梢钥吹剑敵霾ㄐ问桥c輸入同頻同相的半正弦波，幅度是1．2 V。

5 結(jié)束語
    詳細(xì)分析了乘法器電路的工作原理。根據(jù)電路應(yīng)用的需要，靈活調(diào)整電阻值R0、電流I1和I2的值。此電路可廣泛應(yīng)用于需要乘法器單元的電流控制PFC電路。