探討如何憑借智能交錯(cuò)技術(shù)提高AC/DC電源效率

　　在進(jìn)行大功率電源供應(yīng)器設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)工程師經(jīng)常會(huì)使用交錯(cuò)（Interleave）架構(gòu)。交錯(cuò)是一種特殊的并聯(lián)方式，即在兩個(gè)或多個(gè)功率級(jí)（通常稱之為相位或通道）之間存在獨(dú)特的相位關(guān)係。為了保持兩級(jí)設(shè)計(jì)所具備的完整紋波電流消除優(yōu)勢(shì)，必須讓各個(gè)通道彼此間相位差保持180度。

　　由于每個(gè)通道都是針對(duì)處理50%功率而設(shè)計(jì)的，故同步中斷或失敗，尤其是在負(fù)載超過最大額定電流的50%時(shí)，就可能造成整個(gè)設(shè)計(jì)的崩潰。換言之，缺乏嚴(yán)格容限的同步演算法會(huì)導(dǎo)致不必要的功率級(jí)冗余設(shè)計(jì)需求。因此，設(shè)計(jì)工程師必須採用可在任何狀況下均確保同步的解決方案，方能避免系統(tǒng)崩潰的條件下，兼顧系統(tǒng)的實(shí)作成本。目前市場(chǎng)上已有晶片供應(yīng)商開發(fā)出可滿足此一需求的功率因數(shù)校正（PFC）控制器，在軟啟動(dòng)、軟中止（Soft-Stop）期間以及所有瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)工作條件下，可確保近乎完美的180度同步。如果某個(gè)故障模式導(dǎo)致一個(gè)通道無法工作，內(nèi)部的重啟動(dòng)計(jì)時(shí)器便會(huì)啟動(dòng)，有效執(zhí)行功率限制，防止此通道提供全額定功率。本文將以快捷（Fairchild）所推出的FAN9612為例，說明這類先進(jìn)PFC控制器的特性，以及其能為電源供應(yīng)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)所帶來的種種優(yōu)勢(shì)。

　　軟啟動(dòng)/分壓器網(wǎng)路攜手 電壓過沖難題有解

　　任何電源設(shè)計(jì)都要優(yōu)先考慮啟動(dòng)，功率因數(shù)校正控制器也不例外。對(duì)大多數(shù)PFC應(yīng)用而言，穩(wěn)壓輸出電壓設(shè)置點(diǎn)在400伏特范圍內(nèi)，故只要有任何電壓過沖，尤其是在軟啟動(dòng)期間，就會(huì)對(duì)輸出大電容和開關(guān)元件造成額外的應(yīng)力。因此，PFC控制器必須能在整個(gè)啟動(dòng)程式期間保持閉迴路軟啟動(dòng)，以避免上述情況發(fā)生。圖1為PFC控制器的軟啟動(dòng)電路功能實(shí)現(xiàn)及啟動(dòng)程式模擬。

　　圖1　閉迴路軟啟動(dòng)性能

　　透過把參考電壓鉗定為誤差放大器回饋電壓，軟啟動(dòng)電容（CSS）將稍微預(yù)充電，加快初始化啟動(dòng)。更重要的是，誤差放大器輸出直接控制軟啟動(dòng)充電電流（ISS（VCTRL）），因此，若誤差放大器接近飽和，電流源就減小VSS（t），確保對(duì)誤差放大器輸出電壓保持良好控制。如此一來，無論在軟啟動(dòng)週期內(nèi)，后級(jí)直流對(duì)直流（DC-DC）轉(zhuǎn)換器從何處開始消耗控制器輸出的功率， 都可以在內(nèi)部調(diào)節(jié)同相誤差放大器輸入以避免飽和，確保啟動(dòng)或重新啟動(dòng)期間不會(huì)因瞬態(tài)故障條件而產(chǎn)生電壓過沖。

　　除了閉迴路軟啟動(dòng)工作模式之外，先進(jìn)的PFC控制器還具有透過 VOUT 電阻分壓器網(wǎng)路直接啟動(dòng)的可選功能。對(duì)于沒有足夠的輔助偏置電源電壓或待機(jī)電源的應(yīng)用，啟動(dòng)任何高電壓晶片都必須對(duì)VDD電容進(jìn)行充電，直到電壓達(dá)到控制晶片欠壓鎖定（UVLO）導(dǎo)通閾值為止。要實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)功能，設(shè)計(jì)工程師通常都必須額外設(shè)計(jì)一套電路，因而會(huì)增加功耗及降低效率。

　　為了解決上述問題，有些設(shè)計(jì)人員會(huì)採用一種特殊的設(shè)計(jì)方法，亦即當(dāng)PFC控制晶片是透過自舉偏置（Bootstrap Bias）進(jìn)行供電時(shí)，系統(tǒng)則關(guān)閉啟動(dòng)電路。雖然這種方案有助于降低功耗，但往往需要高側(cè)開關(guān)和驅(qū)動(dòng)電路，從而增加外部元件的數(shù)目。目前市場(chǎng)上已有經(jīng)過特別設(shè)計(jì)的解決方案可克服此一問題，無須使用外部啟動(dòng)電阻即可啟動(dòng)。在FB和VDD之間增加一個(gè)小信號(hào)二極體（DSTART），即可提供一條經(jīng)過RFB1的電流路徑，即圖 2 中的虛線。一旦內(nèi)部5伏特參考電壓產(chǎn)生輸出，小訊號(hào)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效電晶體（MOSFET），也就是圖2中的QSTART就被開通，電阻回饋網(wǎng)路即從啟動(dòng)功能中釋放出來。另外也可以根據(jù)情況 ，忽略DSTART和QSTART，採用傳統(tǒng)的啟動(dòng)方法。

　　圖2　交替式簡化啟動(dòng)電路

　　擺脫兩極濾波器束縛 欠壓保護(hù)設(shè)計(jì)更具彈性

　　對(duì)于感測(cè)交流（AC）輸入電壓的 PFC 電路，大多數(shù)控制器都須搭配一個(gè)外部兩極濾波器來取得RMS線電壓。雖然這對(duì)線路欠壓保護(hù)（也稱為Brown-out保護(hù)，即電壓過低保護(hù)）而言，是可接受的，但兩極濾波器的慢速和低靈敏度會(huì)導(dǎo)致額外的線電流失真，從而妨礙利用RMS電壓資訊來實(shí)現(xiàn)脈衝寬度調(diào)變（PWM）控制，如電壓前饋。因此，理想的解決方案應(yīng)能透過感測(cè)AC輸入電壓的峰值來獲得RMS值，從而避免使用外部兩極濾波器。由于 RMS 值與線電壓峰值成比例，所需外部電路就從兩極濾波器簡化為一個(gè)簡單的電阻分壓器。