智能交錯(cuò)：實(shí)現(xiàn)高效 AC-DC電源的先進(jìn) PFC 控制器

在最近于美國華盛頓舉行的 APEC 2009 峰會(huì)上，飛兆半導(dǎo)體發(fā)布了交錯(cuò)式雙臨界導(dǎo)通模式 (Boundary Conduction Mode, BCM) 功率因數(shù)校正 (PFC) 控制器FAN9612。FAN9612 整合了數(shù)項(xiàng)新穎的創(chuàng)新性功能，旨在實(shí)現(xiàn)性能最大化，減少外部組件數(shù)目，提供 一系列穩(wěn)健的保護(hù)功能，并提高效率。

圖文：交錯(cuò)式臨界導(dǎo)通模式PFC控制器效率最大化完善的轉(zhuǎn)換器保護(hù)功能

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)系。為了保持兩級(jí)設(shè)計(jì)所擁有的全部紋波電流消除優(yōu)勢(shì)，必須讓各個(gè)通道彼此間相差 180 度同差。由于每個(gè)通道都是針對(duì)處理 50% 功率而設(shè)計(jì)的，故同步的中斷或失敗，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)格容限的同步算法不必要的推動(dòng)對(duì)功率級(jí)冗余設(shè)計(jì) (over design)的需求。FAN9612 采用飛兆半導(dǎo)體專有的同步方案 Sync-Lock? ，可確保軟啟動(dòng)、軟中止(Soft-Stop)期間以及所有瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)工作條件下近乎完美的 180 度同步。如果某個(gè)故障模式導(dǎo)致一個(gè)信道無法工作，內(nèi)部重啟動(dòng)定時(shí)器會(huì)被激活，相當(dāng)于高效的功率限制，可防止此通道提供全額定功率。所有這些必須的同步和安全功能都完全由FAN9612處理，無需功率級(jí)冗余設(shè)計(jì)，從而獲得針對(duì)效率、性能和可靠性高度優(yōu)化的設(shè)計(jì)。

任何電源設(shè)計(jì)都要優(yōu)先考慮啟動(dòng)，PFC 轉(zhuǎn)換器也不例外。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 400V 范圍之內(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)組件造成額外的應(yīng)力。FAN9612 能夠解決與啟動(dòng)有關(guān)的兩大重要問題。第一是能夠在整個(gè)啟動(dòng)程序期間保持閉環(huán)軟啟動(dòng)。圖1 所示為 FAN9612 專有軟啟動(dòng)電路的功能實(shí)現(xiàn)及啟動(dòng)程序仿真。

圖1 閉環(huán)軟啟動(dòng)性能

通過把參考電壓鉗位為誤差放大器反饋電壓，軟啟動(dòng)電容CSS 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的控制保持良好。不管在軟啟動(dòng)周期內(nèi)后級(jí)DC-DC 轉(zhuǎn)換器從何處開始消耗 PFC 輸出的功率，F(xiàn)AN9612 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。

除了閉環(huán)軟啟動(dòng)工作模式之外，F(xiàn)AN9612 還具有通過 VOUT 電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)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 IC 都必須對(duì) VDD 電容進(jìn)行充電，直到電壓達(dá)到控制 IC 欠壓鎖定 (UVLO) 導(dǎo)通閾值為止。這一般需要額外的電路，因而會(huì)增加功耗及降低效率。有些設(shè)計(jì)人員會(huì)采用這種方法：當(dāng)通過自舉偏置 (bootstrap bia) 電源對(duì) PFC 控制 IC 進(jìn)行供電時(shí)，關(guān)斷啟動(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，從而增加外部組件的數(shù)目。FAN9612 經(jīng)特別設(shè)計(jì)，無需外部啟動(dòng)電阻即可啟動(dòng)。在 FB 和 VDD 之間增加一個(gè)小信號(hào)二極管 DSTART 即可提供一條經(jīng)過 RFB1 的電流路徑，見圖 2 中的紅色虛線。一旦內(nèi)部 5V 參考電壓有輸出，小信號(hào) MOSFET QSTART 就被開通，電阻反饋網(wǎng)絡(luò)即從啟動(dòng)功能中解脫出來。另外也可以根據(jù)情況 ，忽略 DSTART 和 QSTART，采用傳統(tǒng)的啟動(dòng)方法。

圖2 交替式簡(jiǎn)化啟動(dòng)電路

對(duì)于感測(cè) AC 輸入電壓的 PFC 電路，大多數(shù)控制器都需要一個(gè)外部?jī)蓸O濾波器來獲得 RMS 線電壓。雖然這對(duì)線路 UVLO (也稱為 brown-out 保護(hù)，即電壓過低保護(hù)) 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 電壓信息來實(shí)現(xiàn)任何部分的 PWM 控制，比如電壓前饋。而 FAN9612 卻能夠通過感測(cè) AC 輸入電壓的峰值來獲得 RMS 值。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(jiǎn)化為一個(gè)簡(jiǎn)單的電阻分壓器。如圖 3 所示，F(xiàn)AN9612 利用經(jīng)過分壓(divided down) 的峰值電壓信號(hào)來實(shí)現(xiàn)欠壓保護(hù) (VIN(UVLO))、輸入過壓保護(hù) (VIN(OVP))，以及電壓前饋 (VIN(VFF)) 這些 PWM 控制任務(wù)。RIN1 和 RIN2 的比值可用于設(shè)定 VIN(OVP) 、跳變點(diǎn)和欠壓保護(hù)級(jí)。 FAN9612 獨(dú)有的Brown out遲滯可編程特性，可通過內(nèi)部 2μA 電流源和 RIN(HYS) 進(jìn)行設(shè)置。

圖3 輸入電壓感測(cè)電路

電壓前饋為 PFC 轉(zhuǎn)換器提供了數(shù)種優(yōu)勢(shì)。首先，控制環(huán)路增益變得與輸入電壓無關(guān)，這就大大簡(jiǎn)化了補(bǔ)償任務(wù)，并有助于在線路瞬變期間保持更嚴(yán)格的輸出電壓調(diào)節(jié)。其次，輸入電流仍為正弦波，即使在功率受限期間也可減少電流失真。第三，由于用戶可編程最大導(dǎo)通時(shí)間 (MOT) 與 VIN 成比例，所以每個(gè)通道都獲得一個(gè)有效的功率限制功能。最后，F(xiàn)AN9612 還能夠在 DC 輸入電壓下工作，故而適用于大功率逆變器，比如那些專為太陽能應(yīng)用而設(shè)計(jì)的逆變器。

除了欠壓保護(hù)和輸入電壓 OVP 外， FAN9612 還具有兩極輸出電壓 OVP 功能。圖 4 中所示的反饋電阻 RFB1 和 RFB2 對(duì)輸出電壓進(jìn)行分壓，并把信號(hào)饋入到 FAN9612 跨導(dǎo)誤差放大器的輸入端。一個(gè)非鎖死輸出 OVP 電路內(nèi)部監(jiān)控該信號(hào)，并被設(shè)置在反饋電壓超過 3.25V 時(shí)阻止開關(guān)。因此實(shí)際上，RFB1 和 RFB2 具有調(diào)節(jié)輸出電壓和執(zhí)行輸出 OVP 的雙重功能。某些應(yīng)用可能有限制輸出 OVP 和電壓調(diào)節(jié)功能共享同一組串聯(lián)電阻的設(shè)計(jì)要求。FAN9612針對(duì)這一問題提供第二級(jí)鎖定 OVP 功能，該鎖定電路的閾值為3.5V ，可通過ROV1 和 ROV2 來主動(dòng)設(shè)置比非鎖定 的OVP更高的保護(hù)電壓 。在 RFB2 與地短路這種可能性較小的事件中，這個(gè)第二級(jí) OVP 功能可關(guān)閉DRV1 和 DRV2。

圖4 簡(jiǎn)化應(yīng)用電路

至于過流保護(hù) (OCP)，F(xiàn)AN9612 可通過圖 4 中的 RCS1 和 RCS2 獨(dú)立感測(cè)每個(gè)通道的峰值電流。較之在返回路徑上采用單個(gè)電流感測(cè)電阻，對(duì)相位的逐個(gè)感測(cè)可提供更可靠、更有效的 OCP 解決方案。為了減少組件，每個(gè)輸入都在內(nèi)部集成了一個(gè)小型 RC 濾波器 (一般用于抑制電流感測(cè)輸入中的前沿尖刺)。最后，F(xiàn)AN9612 電流感測(cè)閾值設(shè)為 200mV，以使電流感測(cè)電阻上的功耗最小化。

FAN9612 采用數(shù)項(xiàng)節(jié)能技術(shù)來滿足額定負(fù)載和輕負(fù)載下的效率要求。其同步電路的一部分利用最大頻率鉗位來限制輕載下和 AC 輸入電壓的過零點(diǎn)附近的與頻率相關(guān)的 Coss MOSFET 開關(guān)損耗。在 VIN 線電壓部分大于 VOUT/2 期間，使用谷底開關(guān)技術(shù)以感測(cè)最佳MOSFET 導(dǎo)通時(shí)間，可進(jìn)一步降低 Coss 電容性開關(guān)損耗。另一方面，當(dāng) VIN 小于 VOUT/2時(shí)，主功率 MOSFET 利用零電壓開關(guān) (ZVS) 導(dǎo)通。ZVS 結(jié)合 BCM 工作模式的零電流開關(guān) (ZCS)，可消除 MOSFET 導(dǎo)通開通損耗和輸出整流器的反向恢復(fù)損耗。

FAN9612 的自動(dòng)相位管理可以滿足提高輕載效率的要求。FAN9612 評(píng)測(cè)板 (EVB) 可以演示約30% (相位禁用) 和 40% (相位啟用)負(fù)載電流之間的相位管理能力，而利用FAN9612 MOT 輸入則可準(zhǔn)確調(diào)節(jié)閾值。圖 5 所示的效率圖顯示了在負(fù)載電流剛好下跌到最大額定值的 30% 以下致使某個(gè)相位禁用時(shí)，輕載效率的提高。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到最大額定值的近 40% 時(shí)，兩通道交錯(cuò)式工作恢復(fù)。FAN9612 EVB 是一個(gè) 400W 雙交錯(cuò)式BCM PFC 轉(zhuǎn)換器，當(dāng) VIN = 115VAC 時(shí)，測(cè)得輕載負(fù)載效率提高 1%；VIN = 230VAC 時(shí)，提高 6.5% 。

圖5 FAN9612 EVB 相位管理的效率性能（注：包含 EMI 濾波器）

總而言之，對(duì)于 1KW 以下的 PFC 解決方案，F(xiàn)AN9612 能夠?qū)崿F(xiàn)盡可能高的效率級(jí)別，并具有最豐富的功能和性能組合，是目前市面上最好的交錯(cuò)式 BCM PFC 控制器。

可受益于這種拓?fù)涞膽?yīng)用包括消費(fèi)電子產(chǎn)品、數(shù)字顯示器 (LCD、PDP、醫(yī)療設(shè)備)、照明、臺(tái)式電腦、入門級(jí)服務(wù)器、電信整流器、工業(yè)電源系統(tǒng)，以及太陽能逆變器。