一种用亏PFC的模拟乘法器设计

第１８卷　Ｖｏ１．１８　第６期　Ｎｏ．６　电子设计工程　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　２０１０年６月　Ｊｕｎｅ．２０１０　

一种用亏ＰＦＣ的模拟乘法器设计　

郑庆华　

（电子科技大学四川成都６１１７３１）　

摘要：为了实现变频控制，产生一个与输入信号同频同相的电压信号，使输入电流跟随输入电压，设计了一种基于　

ＢＣＤ工艺的模拟乘法器，并阐述了该电路设计的工作原理和结构。该乘法器应用于电流控制的功率因素校正电路，具　

有０～３　Ｖ的输入信号范围，采用上华０．６　Ｉｘｍ　ＢＣＤ工艺设计，并用Ｃａｄｅｎｃｅ　ｓｐｅｃｔｒｅ仿真器进行仿真。仿真结果表明，输　

出波形是一个半正弦波．并且和输入同频同相，幅度达到１．２　Ｖ。　

关键词：变频控制；ＰＦＣ；模拟乘法器；电压衰减；电流控制　中图分类号：ＴＮ４３１　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７４—６２３６（２０１Ｏ）０６—０１９１—０２　

Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａｎａｌｏｇ　ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ　ｆ０ｒ　ＰＦＣ　

ＺＨＥＮＧ　Ｑｉｎｇ—ｈｕａ　（Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆＣｈｉｎａ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１１７３１，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ—ｖａｒｉａｂｌｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ，ｐｒｏｄｕｃｅ　ａ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｉｇｎａｌ　ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ａｎｄ　ｐｈａｓｅ　ａｓ　ｉｎｐｕｔ，　

ｍａｋｅ　ｉｎｐｕｔ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｆｏｌｌｏｗ　ｉｎｐｕｔ　ｖｏｌｔａｇｅ．Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ａｌｌ　ａｎａｌｏｇ　ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ　ｂａｓｅｄ　Ｏｎ　ＢＣＤ　ｐｒｏｃｅｓｓ，ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｅｓ　

ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ．Ｔｈｅ　ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ　ｃａｎ　ｂｅ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ｐｏｗｅｒ　ｆａｃｔｏｒ　ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｗｉｔｈ　

ｃｕｒｒｅｎｔ—ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ，ａｎｄ　ｈａｓ　ａ　ｉｎｐｕｔ　ｒａｎｇｅ　ｆｒｏｍ　０　ｔｏ　３Ｖ．Ｔｈｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｄｏｐｔｓ　ＣＳＭＣ　０．６　ｍ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｍｏｄｅｌ，ａｎｄ　ｉｓ　

ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　Ｃａｄｅｎｃｅ　ｓｐｅｃｔｒｅ．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｏｕｔｐｕｔ　ｉｓ　ａ　ｈａｌｆ　ｓｉｎｅ　ｗａｖｅ　ｗｈｉｃｈ　ｈａｓ　ｓａｍｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　

ａｎｄ　ｐｈａｓｅ　ａｓ　ｉｎｐｕｔ，ｉｔｓ　ａｍｐｌｉｔｕｄｅ　ｉｓ　ｕｐ　ｔｏ　１．２Ｖ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ・ｖａｒｉａｂｌｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ；ＰＦＣ；ａｎａｌｏｇ　ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ；ｖｏｌｔａｇｅ　ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ；ｃｕｒｒｅｎｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ　

随着家庭用电设备越来越多．大量的电流谐波分量倒流　

人电网，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）ｌｌｌ。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［２１。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：　

１　Ｖ　，＝÷　（１）　二Ｌ　从式（１）可以看到，如果功率管开启时间　始终是一个　

固定值，电感电流的平均值与输入电压　．成正比，功率因素　

在理论上将为ｌ，这就是变频控制的基本原理『３ｌ。由于电感始　

终处在临界导电模式，所以又称临界导电控制法。　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　ＭＵ　与电感电流检测电阻尺　上的电压　比较，当　

小于　时，功率管关断，因而开启时间固定。乘法器的　

输出电压为：　ⅦⅡ　｜ｉ｝　ｌ　（２）　

式中，ｋ是一个常数值，　在稳定工作状态下也近乎常数值。　

电流检测电阻电压为：　砖＝　ｖ１　ＮＲｓ　（３）　

在功率管关断瞬间，　哪ｕ＝　取，由式（２）和式（３）可得：　

ＯＮ：生　（４）　一　

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Ｒ　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，Ｖ。３和ＶＱ４组成一个　共射差分对，电流源，ｓｓ提供差分对电流偏置，Ｖ　Ｖ。６作为差　

收稿日期：２０１０一叭一１３　稿件编号：２０１００１０３６　

作者简介：郑庆华（１９７９～），男，广西贵港人，硕士研究生。研究方向：模拟集成电路设计。　

一

１９ｌ一　《电子设计工程｝２ＯＬＯ年第６期　

分对的有源负载。Ｖ妒和ＶＱ４是完全相同的三极管，Ｖｉ￣＞０，根　

据推导刚，　一，Ｃ　＝　（５）　

图ｌ乘法器的基本结构　

Ｖ　和ＶＱ４的集电极电流差通过Ｖ　ＶＱ８和ＶＱ９组成的镜　像电流源镜像到Ｖ　Ｑｌ和ＶＱ２的共射极端，给ＶＱｌ和ＶＱ２提供偏　

置电流，因此，　屯一　＝　（６）　

同样，完全相同的Ｖ。１和ＶＱ２也组成一个共射差分对，　为这两个管子提供偏置电流。　＞０，可得：　

Ｉ／　，Ｃ。一，ｃ。＝　音　（７）　二ｒ　Ｔ　，　所以得到：　，ｃ。一，ｃ２＝—二翌＿『　＿ｄ１　＿ｄ２　（８）　（２ＶＴ）　

当（，ｃ，＿，ｃ　）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　

２Ｖ　，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　

性衰减翔，使衰减后的输入电压满足小于２Ｖ　，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。　

图２电压衰减电路　

双极管Ｖｑ３和ＶＱ４完全一样，ＶＱｌ和ＶＱ２也是相同，电流源　

，为电路提供电流偏置，输人　。和输出Ｖ。的关系式为：　

一　（９）　

可得．　盎　（１０）　

只要调整尺或，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。Ｖ　ＶＱ４和　－、Ｒ２组成基本的　

—．１９２－　镜像电流电路，ＶＱ２为了减小电流增益卢对电路的影响。晶体　

管的集电极电流为：　

Ｉｃ＝ＩｓｓｅｘｐＶＢＥ　（１１）　

式中，　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，Ｒｌ的阻值是　２的２倍，但是Ｖｏ４　的发射极的横截面积是Ｖ０３的２倍，因此，输出的电流，是　ＶＱ一的集电极的２倍１６１。所以，想要得到数倍于Ｖ０。集电极电　

流，可调整Ｖｏ４的电阻值和发射极的横截面积。　

Ｖｂ　

４仿真结果　图３电流偏置　

图４为Ｃａｄｅｎｃｅ的仿真结果。仿真条件为　ｄｄ：７　Ｖ，　＝　

２．５　Ｖ，乘法器的一端输人为全桥整流后幅度为３　Ｖ的正弦　波，另一端输人为直流电压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。　

３．０　

２・０　

１．０　

０．０　Ｉ｜Ｓ　图４　Ｃａｄｅｎｃｅ仿真结果　

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　电流，。和，２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。　参考文献：　

【ｌ】潘飞蹊．有源功率因素校正技术的研究【Ｄ］．成都：电子科　

技大学，２００４．　【２］毛鸿，吴兆麟．有源功率因素校正器的控制策略综述【Ｊ】．电　

力电子技术，２０００（３４）：５６—５８．　［３】潘飞蹊．一种Ｂｏｏｓｔ型ＰＦＣ变频控制电路的简单实现方案　

ｆＪ１．电力电子技术，２００４（３４）：３０－３２．　

［４】ＧＡＲＹ　ＰＡＵｌ　Ｒ．Ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａｎａｌｏｇｙ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｃｉｒｃｕｉｔｓ［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００５：７０８—７０９．　

［５】皮文兵．一种宽输入范围的Ｇｉｌｌｂｅｒｔ模拟乘法器设计［Ｊ】．　电子设计应用，２ｏ０７（１）：８８—９０．　【６】秦世才，贾香鸾．模拟集成电子学【Ｍ】．天津：天津科学技术　

出版社．１９９６．