基于單周期控制的IRll50型PFC控制IC及其應(yīng)用

1 引言
75 W以上家用電器及類似電氣設(shè)備的電流諧波，都必須符合IECl00-3-2(及日本JICC61000-3-2、中國CCC等)強(qiáng)制性規(guī)范中的限量要求。為此，開關(guān)電源和電子鎮(zhèn)流器等都必須采取PFC措施。對于基于控制IC的有源PFC升壓變換器而言，主要有3種類型，即電感電流不連續(xù)導(dǎo)電模式(DCM)、臨界導(dǎo)電模式(CRM)和連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)。其中，CCM控制IC及其組成的PFC變換器電路比較復(fù)雜，適用功率范圍為200 W～4 500W。傳統(tǒng)CCM PFC電路都采用16引腳至20引腳DIP或SO封裝，在應(yīng)用中、外圍元件較多，系統(tǒng)成本較高。IR公司采用“單周期控制”專利技術(shù)發(fā)明的CCM下工作的PFC控制器IRll50的封裝引腳減少到8個，使PFC預(yù)調(diào)節(jié)器印制電路板(PCB)面積縮小50％，外部阻容元件減少40％。IRll50的使能啟動、微功率啟動和睡眠模式等特征符合待機(jī)功率小于1 W的“藍(lán)天使”和“能源之星”等節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。
IRll50的主要特點(diǎn)如下：
CCM升壓型PFC，并以單周期控制專利技術(shù)為基礎(chǔ)；
無需外部AC線路電壓檢測電路；
開關(guān)頻率(50 kHz~200 kHz)可編程,最短關(guān)斷時間為150 ns~350 ns，最大占空比限制在98％；
輸出過電壓/欠電壓保護(hù)、軟啟動、逐周峰值電流限制、開環(huán)保護(hù)、Vcc欠電壓鎖定、鎖存抗擾及靜電放電(ESD)保護(hù)；
微功率啟動(200μA)及微功率“休眠”模式；
快速1.5 A峰值柵極驅(qū)動電流,使其輸出功率范圍超過l kW(最高達(dá)4 kW)；
柵極驅(qū)動器內(nèi)部被箝位在13 V電平；
采用8引腳SOIC封裝。

2 引腳功能及推薦工作條件
IRll50的引腳排列如圖1所示。各個引腳功能如下所述：

腳1(COM)：IC地。
腳2(FREQ)：該引腳與COM之間連接一只電阻器，用作開關(guān)頻率設(shè)置(50 kHz～200 kHz)。
腳3(ISNS)：電流檢測輸入與峰值電流限制。該引腳上的電壓是外部電流檢測電阻器上的負(fù)電壓降,表示峰值電感電流。該引腳上的電壓經(jīng)內(nèi)部前沿消隱輸入到門限為-1 V的峰值電流限制保護(hù)比較器,同時被回饋到內(nèi)部電流檢測放大器。電流檢測放大器輸出高頻噪聲被濾除，而后注入到求和節(jié)點(diǎn)。
腳4(OVP/ENA)：過電壓保護(hù)/使能輸入。該引腳內(nèi)部過電壓保護(hù)(OVP)比較器門限電平為VREF(7V)的105.5％，可在外部利用電阻分壓器來編程。該引腳又是IC“休眠”模式使能端。只要將該引腳上的電壓拉低到O.62 V以下,“休眠”模式就被激活。
腳5(COMP)：電壓環(huán)路補(bǔ)償。該引腳是內(nèi)部電壓誤差放大器輸出，當(dāng)發(fā)生故障時，該引腳將經(jīng)過內(nèi)部電阻器放電。
腳6(VFB)：輸出電壓反饋。PFC升壓變換器DC輸出電壓利用電阻分壓器采樣,經(jīng)該引腳輸入到內(nèi)部電壓誤差放大器反相端。電壓誤差放大器為運(yùn)算跨導(dǎo)放大器(0TA)。
腳7(VCC)：供電電壓。該引腳導(dǎo)通閾值VCC(on)典型值為12.7 V,關(guān)斷門限VCC(UVLO)為10.7V。
腳8(CATE)：柵極驅(qū)動器輸出，提供1.5A的峰值驅(qū)動電流。
IRll50的推薦工作條件如下：
電源電壓VCC:15 V~20 V(典型值為18 V)；
開關(guān)頻率fSW:50 kHz~200 kHz；
頻率設(shè)置電阻RSET:165 kΩ～37 kΩ；
結(jié)溫TJ:-25℃～+125℃；
工作溫度TA:O℃～70℃。

3 工作原理與工作狀態(tài)轉(zhuǎn)接
圖2所示為IRll50的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。

與傳統(tǒng)CCM-PFC控制器比較,IRll50不含輸入電壓檢測、模擬乘法器及定頻三角波振蕩器。IRll50采用單周期控制技術(shù)從根本上替代了常規(guī)CCM-PFC解決方案。IRll50引入一種帶有復(fù)位電路的專用整合器控制單元，使電壓誤差放大器輸出疊加在每個時鐘周期上，產(chǎn)生可變的三角波。這種三角波與誤差電壓波形比較,并從電流檢測信號中扣除,產(chǎn)生PWM柵極驅(qū)動信號。
IRll50工作利用兩個環(huán)路:一個是電流環(huán)路，另一個是電壓環(huán)路。內(nèi)部電流環(huán)路是快速和可靠的，電流參考的產(chǎn)生不需要輸入電壓檢測。電流環(huán)路利用嵌入的輸入電壓信號迫使平均輸入電流隨輸入電壓瞬時變化。外部電壓環(huán)路控制PFC升壓變換器的DC輸出電壓。電壓誤差放大器產(chǎn)生的輸出電壓直接控制積分器斜坡信號的斜率和平均輸入電流的幅度。二個控制環(huán)路結(jié)合的結(jié)果，使AC輸入平均電流(即經(jīng)輸入高頻旁路電容器和EMI濾波器后的低頻電流)與AC輸入電壓成正比，并且呈正弦波形，與輸入電壓保持同相位，從而產(chǎn)生幾乎等于1的功率因數(shù)。當(dāng)變換器在輕載下工作時，在AC線路電壓過零附近的電流波形將出現(xiàn)一定的失真，但所產(chǎn)生的諧波電流仍可在IECl000-3-2標(biāo)準(zhǔn)的D類限值之內(nèi)。
IRll50的工作狀態(tài)包括欠電壓鎖定(UVL0)模式、待機(jī)模式、軟啟動模式、正常操作模式、故障保護(hù)模式和睡眠模式等，具體運(yùn)動轉(zhuǎn)接圖如圖3所示。

4 典型應(yīng)用電路
圖4所示為基于IRll50型控制器的300W有源PFC升壓變換器電路。這種PFC預(yù)調(diào)節(jié)器適用于國際通用的AC線路輸入，DC輸出為377 V，用作開關(guān)電源或電子鎮(zhèn)流器的前端電路。輸入端的Cl、R1、Ll、C2組成EMI濾波器。由于PFC電路工作于CCM,可以降低峰值電感電流(IL)，可降低了對EMI濾波器的要求。電容器C3用于高頻電感電流旁路，從而得到低頻(50 Hz或60Hz)平均電流(即AC輸入電流)。L2為升壓電感器，MOSFET(V1)為PFC開關(guān)，VD2為升壓二極管，C5為輸出電容器。IRll50引腳2上的外部電阻器R4(60.4 kΩ)用作設(shè)置開關(guān)頻率(100 kHz)。Rs(0.1Ω)為電流檢測電阻器。IR1150引腳3上的外部電阻器R3和C7組成預(yù)濾波電路。IRll50引腳5上的外部電阻器R5和電容器C8、C9提供電壓環(huán)路補(bǔ)償。

由R9、R10和R1l組成的電阻分壓器用作輸出電壓反饋采樣。在正常工作狀態(tài)下，饋入VFB引腳的電壓VFB為7 V(等于VFB引腳內(nèi)部電壓誤差放大器同相端上的參考電壓VREF)。由R12、R13、R14組成的電阻分壓器用作輸出過電壓保護(hù)取樣。IRll50引腳4上的過電壓保護(hù)門限電平為7.385 V (即105.5％VREF)。只要PFC升壓變換器輸出電壓超過412 V，反饋到IRll50引腳4上的電壓就會超過7.385 V的閾值電平，器件則進(jìn)入過電壓保護(hù)模式。
IRll50的VCC電壓(15 V～20 V)可以從電感器L2的附加繞組和二極管組成的輔助電源獲得(圖4中未畫出)。圖4所示的PFC升壓變換器電路的線路功率因數(shù)達(dá)O.995以上,總諧波失真THD僅約4％,符合IECl000-3-2標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)束語
IR1150 CCM-PFC控制器采用單周期控制專有技術(shù)，在75 W~4 kW的高功率密度應(yīng)用中，可將PCB面積縮減50％。IRll50能以DCM或CRM的簡單電路實(shí)現(xiàn)CCM電路的高性能，從而為計(jì)算機(jī)、家用電器和其他消費(fèi)類電子產(chǎn)品提供簡便、靈活、低成本和高功率密度的解決方案。