基于單周期控制的IRll50型PFC控制IC及其應用

1 引言
75 W以上家用電器及類(lèi)似電氣設備的電流諧波，都必須符合IECl00-3-2(及日本JICC61000-3-2、中國CCC等)強制性規范中的限量要求。為此，開(kāi)關(guān)電源和電子鎮流器等都必須采取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(lèi)型，即電感電流不連續導電模式(DCM)、臨界導電模式(CRM)和連續導電模式(CCM)。其中，CCM控制IC及其組成的PFC變換器電路比較復雜，適用功率范圍為200 W～4 500W。傳統CCM PFC電路都采用16引腳至20引腳DIP或SO封裝，在應用中、外圍元件較多，系統成本較高。IR公司采用“單周期控制”專(zhuān)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(gè)，使PFC預調節器印制電路板(PCB)面積縮小50％，外部阻容元件減少40％。IRll50的使能啟動(dòng)、微功率啟動(dòng)和睡眠模式等特征符合待機功率小于1 W的“藍天使”和“能源之星”等節能標準。
IRll50的主要特點(diǎn)如下：
CCM升壓型PFC，并以單周期控制專(zhuān)利技術(shù)為基礎；
無(wú)需外部AC線(xiàn)路電壓檢測電路；
開(kāi)關(guān)頻率(50 kHz~200 kHz)可編程,最短關(guān)斷時(shí)間為150 ns~350 ns，最大占空比限制在98％；
輸出過(guò)電壓/欠電壓保護、軟啟動(dòng)、逐周峰值電流限制、開(kāi)環(huán)保護、Vcc欠電壓鎖定、鎖存抗擾及靜電放電(ESD)保護；
微功率啟動(dòng)(200μA)及微功率“休眠”模式；
快速1.5 A峰值柵極驅動(dòng)電流,使其輸出功率范圍超過(guò)l kW(最高達4 kW)；
柵極驅動(dòng)器內部被箝位在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(gè)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(kāi)關(guān)頻率設置(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電壓降,表示峰值電感電流。該引腳上的電壓經(jīng)內部前沿消隱輸入到門(mén)限為-1 V的峰值電流限制保護比較器,同時(shí)被回饋到內部電流檢測放大器。電流檢測放大器輸出高頻噪聲被濾除，而后注入到求和節點(diǎn)。
腳4(OVP/ENA)：過(guò)電壓保護/使能輸入。該引腳內部過(guò)電壓保護(OVP)比較器門(mén)限電平為VREF(7V)的105.5％，可在外部利用電阻分壓器來(lái)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)路補償。該引腳是內部電壓誤差放大器輸出，當發(fā)生故障時(shí)，該引腳將經(jīng)過(guò)內部電阻器放電。
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)該引腳輸入到內部電壓誤差放大器反相端。電壓誤差放大器為運算跨導放大器(0TA)。
腳7(VCC)：供電電壓。該引腳導通閾值VCC(on)典型值為12.7 V,關(guān)斷門(mén)限VCC(UVLO)為10.7V。
腳8(CATE)：柵極驅動(dòng)器輸出，提供1.5A的峰值驅動(dòng)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(kāi)關(guān)頻率fSW:50 kHz~200 kHz；
頻率設置電阻RSET:165 kΩ～37 kΩ；
結溫TJ:-25℃～+125℃；
工作溫度TA:O℃～70℃。

3 工作原理與工作狀態(tài)轉接
圖2所示為IRll50的內部結構框圖。

與傳統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CCM-PFC解決方案。IRll50引入一種帶有復位電路的專(zhuān)用整合器控制單元，使電壓誤差放大器輸出疊加在每個(gè)時(shí)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柵極驅動(dòng)信號。
IRll50工作利用兩個(gè)環(huán)路:一個(gè)是電流環(huán)路，另一個(gè)是電壓環(huán)路。內部電流環(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(shí)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(gè)控制環(huán)路結合的結果，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。當變換器在輕載下工作時(shí)，在A(yíng)C線(xiàn)路電壓過(guò)零附近的電流波形將出現一定的失真，但所產(chǎn)生的諧波電流仍可在IECl000-3-2標準的D類(lèi)限值之內。
IRll50的工作狀態(tài)包括欠電壓鎖定(UVL0)模式、待機模式、軟啟動(dòng)模式、正常操作模式、故障保護模式和睡眠模式等，具體運動(dòng)轉接圖如圖3所示。

4 典型應用電路
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預調節器適用于國際通用的AC線(xiàn)路輸入，DC輸出為377 V，用作開(kāi)關(guān)電源或電子鎮流器的前端電路。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(kāi)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)用作設置開(kāi)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(guò)電壓保護取樣。IRll50引腳4上的過(guò)電壓保護門(mén)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(guò)412 V，反饋到IRll50引腳4上的電壓就會(huì )超過(guò)7.385 V的閾值電平，器件則進(jìn)入過(guò)電壓保護模式。
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(huà)出)。圖4所示的PFC升壓變換器電路的線(xiàn)路功率因數達O.995以上,總諧波失真THD僅約4％,符合IECl000-3-2標準要求。

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