新型CCM PFC控制器原理與測試

一、簡介

傳統(tǒng)的用于電子設(shè)備前端的二極管整流器，因?yàn)閷?dǎo)致電源線的脈沖電流，干擾電網(wǎng)線電壓，產(chǎn)生向四周輻射和沿導(dǎo)線傳播的電磁干擾，導(dǎo)致電源的利用效率下降。近幾年來，為了符合國際電工委員會(huì)61000-3-2的諧波準(zhǔn)則，有源PFC電路正越來越引起人們的注意。對于小于200瓦的小功率裝置，不連續(xù)調(diào)制模式(DCM)因其低廉的價(jià)格受到普遍歡迎。另外，它的控制電路塊中只有一個(gè)電壓控制環(huán)，因而采用DCM的PFC設(shè)計(jì)簡單易行。然而，由于它固有的電流紋波較大，DCM很少應(yīng)用于大功率場合。在大功率場合，CCM的PFC更具有吸引力。在CCM的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，它的傳輸函數(shù)存在電壓環(huán)和電流環(huán)兩個(gè)控制環(huán)路。因而CCM的控制電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，CCM PFC控制器的管腳數(shù)目也較多。ICE1PCS01這種新的PFC控制器，是為了降低設(shè)計(jì)費(fèi)用和難度而開發(fā)的。它僅有8個(gè)管腳。此外，根據(jù)故障模式影響分析(FMEA)，很多的保護(hù)電路被集成在這塊芯片中。本文將對此IC的功能進(jìn)行詳細(xì)地介紹，并通過測試結(jié)果驗(yàn)證了它的性能。

二、芯片功能

1. 無直接參考正弦波傳感信號(hào)的均值電流控制

傳統(tǒng)的CCM PFC結(jié)構(gòu)電路如圖1所示。圖1：傳統(tǒng)的CCM有源PFC電路和它的波形

可以看出，在傳統(tǒng)的PFC電路存在兩個(gè)控制環(huán)。一個(gè)是電壓環(huán)，它被用來調(diào)整輸出電壓；另外一個(gè)是電流環(huán)，它被用來控制輸入電流。誤差放大器的輸出Verr決定了輸入電流Iin的幅值大小。Verr乘以正弦波參考信號(hào)|Vin|得到正弦輸入電流。在傳統(tǒng)的CCM PFC中，|Vin|是必不可少的，它用于產(chǎn)生電流控制環(huán)中的正弦波輸入電壓。

這個(gè)被稱為ICE1PCS01新的PFC控制器的一個(gè)典型應(yīng)用如圖2所示。它僅有8個(gè)管腳，也沒有直接饋入芯片的正弦波傳感信號(hào)。

該芯片的基本原理如下所述。假設(shè)電壓環(huán)正處于工作狀態(tài)，輸出電壓保持恒定，則一個(gè)CCM升壓型PFC控制系統(tǒng)的MOSFET關(guān)斷占空比DOFF可以由下面的公式得到：

從上面的公式可知，DOFF正比于VIN。電流環(huán)的目的在于調(diào)整電感電流的平均值，使得它正比于關(guān)斷占空比DOFF，從而正比于輸入電壓VIN。這個(gè)關(guān)系式可以通過前邊沿調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。

圖3：電流平均值控制

斜坡信號(hào)由內(nèi)部的振蕩器產(chǎn)生，斜坡信號(hào)的幅值一方面受內(nèi)部的控制信號(hào)控制，但另一方面卻可以影響線輸入平均值電流的幅值。

2. 增強(qiáng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)

由于PFC的固有屬性，PFC動(dòng)態(tài)環(huán)路總是用低帶寬進(jìn)行補(bǔ)償，目的是不對頻率為2×fL波紋響應(yīng)。這里fL指的是交流電源線的頻率。所以當(dāng)負(fù)載突變時(shí)，調(diào)整電路不能作出快速響應(yīng)，從而引起輸出電壓起落過大。為了解決這個(gè)PFC應(yīng)用中的問題，在芯片中采用了增強(qiáng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)。一旦輸出電壓超出正常值的5％，IC將跳過慢補(bǔ)償運(yùn)算放大器，直接作用于內(nèi)部非線性增益塊而影響占空比。輸出電壓能夠在一個(gè)短時(shí)間內(nèi)回復(fù)到正常值。圖4所示為實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的控制模塊。載荷突變的測試波形如圖5和圖6所示。

額定輸出電壓是400V直流。在圖5中，可以看出，當(dāng)輸出電壓達(dá)到420V，開關(guān)立刻截止。輸出電壓的過沖被限制在額定電壓的5%以下。輸出過沖電壓保護(hù)也采用同樣的控制策略。在圖6中，可以看出，當(dāng)Vsense下降到4.75V，也就是比額定電壓低5%，IC立刻響應(yīng)，門驅(qū)動(dòng)的占空比立刻增加。電壓降被控制在40V以內(nèi)

3. 軟啟動(dòng)

該IC具有高效的軟啟動(dòng)功能，如圖7所示，該功能可以控制啟動(dòng)電流，使其輸入電流幅度連續(xù)而漸進(jìn)地上升到較高的值，直至輸出電壓達(dá)到額定電壓的80%，然后進(jìn)入正常的控制模式。這一啟動(dòng)過程中的電流波形如圖8所示。相對于一般的的軟啟動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)僅控制占空比，輸入電流保持正弦，不激活峰值電流限幅。因此升壓二極管不會(huì)受到因高占空比而形成的大電流的沖擊。這個(gè)高的浪涌電流將會(huì)危及升壓二極管，特別對碳化硅升壓二極管，因?yàn)橄鄬瓒O管來說，碳化硅二極管的峰值電流能力更小

4. 保護(hù)

根據(jù)故障模式影響分析(FMEA)，許多保護(hù)功能被集成在芯片中，例如開環(huán)保護(hù)、輸出過壓保護(hù)、交流電源欠壓保護(hù)、IC電源欠壓保護(hù)、峰值電流限幅、軟過電流限幅等。下面將詳細(xì)介紹開環(huán)保護(hù)和輸出電壓保護(hù)這兩種獨(dú)特的保護(hù)功能。

(1)開環(huán)保護(hù)(OLP)/輸入欠壓保護(hù)

開環(huán)意味著反饋環(huán)被斷開，沒有反饋信號(hào)進(jìn)入IC。在這種情況下，如果沒有保護(hù)措施，內(nèi)部的控制電壓將會(huì)被調(diào)節(jié)到最大值，IC將提高占空比以傳送最大功率。在這種故障情況下，輸出電壓僅僅取決于輸出電流。在負(fù)載較小的情況下，將會(huì)產(chǎn)生很高的電壓過沖，這將危及到后面的用電設(shè)備。該IC具有開環(huán)保護(hù)以對輸出電壓進(jìn)行監(jiān)控，如圖9所示。一旦VSENSE電壓低于0.8V，也就是VOUT低于額定電壓16%的時(shí)候，就意味著進(jìn)入了開環(huán)狀態(tài)(VSENSE管腳沒有連接)或者輸入電壓小于額定值。在這種情況下，芯片中絕大多數(shù)模塊將停止工作。該保護(hù)功能是通過閾值電壓為0.8V的比較器C3實(shí)現(xiàn)的。圖10是在高交流電源輸入電壓和小負(fù)載情況下的測試波形。

如圖所示，一旦出現(xiàn)開環(huán)故障，MOSFET門開關(guān)立即停止工作，輸出電壓沒有過沖。

該保護(hù)也可用于在某些情況下關(guān)閉PFC，例如待機(jī)模式等。

(2)輸出過壓保護(hù)(OVP)

增強(qiáng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)模塊也具有輸出過壓保護(hù)功能。一旦VOUT超過額定電壓5%，輸出過壓保護(hù)OVP功能就被激活，如圖5所示。通過判斷VSENSE管腳的電壓是否大于參考電壓5.25V就可以實(shí)現(xiàn)這一功能。VSENSE 電壓高于5.25V時(shí)，IC會(huì)跳過正常的電壓環(huán)控制而直接控制占空比使其立刻下降到0。這將導(dǎo)致輸入功率下降，從而使得輸出電壓VOUT下降。

三、測試結(jié)果

一個(gè)350W的測試板被用來檢驗(yàn)其性能。測試電路如圖11，測試數(shù)據(jù)如下所示。開關(guān)頻率設(shè)定為200kHz。

在1/4滿載的情況下，功率因數(shù)仍超過90%。另外，PFC變換器也可以在空載的情況下提供穩(wěn)定的輸出電壓。

四、結(jié)論

本文介紹了一種新型的CCM PFC控制器。根據(jù)測試結(jié)果，功率因數(shù)可以滿足要求。該P(yáng)FC可以在從空載到滿載這樣一個(gè)很大的載荷范圍內(nèi)工作。此外，為了提高系統(tǒng)的可靠性，該IC還具有很多保護(hù)措施，比如開環(huán)保護(hù)、輸出過壓保護(hù)、交流電源欠壓保護(hù)、IC電源欠壓保護(hù)、峰值電流限幅、軟過電流限幅等。這個(gè)新的8管腳的PFC控制器很適應(yīng)低成本的CCM PFC設(shè)計(jì)。