基于IR1150的單周期控制PFC的原理與設計

摘 要：IR1150是一種新型的單周期PFC控制芯片，它采用的單周期控制(0ne-cycle control，OCC)技術(shù)，無(wú)需傳統PFC電路所需的模擬乘法器、輸入電壓采樣以及固定的三角波振蕩器，大大簡(jiǎn)化了PFC電路的設計和縮小了裝置體積。在介紹該芯片的同時(shí)對單周期控制原理進(jìn)行了闡述，并研制了一臺基于IR1150的300w實(shí)驗電路。
關(guān)鍵詞：IR1150；功率因數校正；單周期控制

0 引言
開(kāi)關(guān)電源以其效率高、功率密度大而在電源領(lǐng)域中應用越來(lái)越廣。但傳統的橋式整流，大電容濾波的開(kāi)關(guān)電源存在一個(gè)致命的弱點(diǎn)：功率因數低，一般為0．45～0．75。而且其無(wú)功分量基本上為高次諧波。目前各國都對開(kāi)關(guān)電源裝置的輸入諧波要求制定了標準，多數開(kāi)關(guān)電源都需要加裝PFC級來(lái)滿(mǎn)足功率因數以及諧波含量的要求。

然而，傳統功率因數校正電路技術(shù)復雜、設計步驟繁瑣、所需元器件多、體積大而且成本高，例如使用經(jīng)典的UC3854芯片開(kāi)發(fā)的PFC電路。因此，設計時(shí)其往往要在性能和成本之間進(jìn)行折衷。IR公司針對上述情況推出了專(zhuān)用于A(yíng)C／DC功率因數校正電路的IR1150系列產(chǎn)品。它采用了IR公司的專(zhuān)利單周期控制[1](0ne-cycle control，OCC)技術(shù)，不僅簡(jiǎn)便可靠，而且外圍所需元器件少。為PFC電路的設計提供了一種全球適用的優(yōu)秀解決方案。

1 IR1150控制芯片簡(jiǎn)介
IR1150控制芯片的管腳排列如圖1所示。而管腳功能說(shuō)明如表1所列。

IR1150是一種連續電流模式PFC控制芯片，僅有8個(gè)引腳。它采用了IR公司特有的單周期控制技術(shù)，為有源功率因數校正電路提供了一種成本低廉、設計簡(jiǎn)單的解決方案。如1 KW服務(wù)器開(kāi)關(guān)電源中，與傳統基于乘法器的CCM系統相比，IR的PFC解決方案可節省40％的電阻電容，節省50％的PFC控制器電路板面積。在功率密度問(wèn)題上更為突出的小功率應用中，如大功率筆記本和液晶電視適配器，若采用CCM模式的IR1150控制器，則意味著(zhù)降低峰值電流，對EMI濾波器的要求也可降低43％。

l.1 IR1150的主要特性
――單周期控制技術(shù)；
――無(wú)需輸入電壓采樣；
――50kHz～200 kHz工作頻率設定；
――輸出過(guò)壓、欠壓、空載保護；
――每周期電流峰值限制；
――高達1．5A的門(mén)極驅動(dòng)；
――最大脈寬限制為98％；
――軟啟動(dòng)，微功率啟動(dòng)及休眠節能模式。

l.2主要管腳功能介紹
腳2(FREQ)頻率設定端該引腳通過(guò)接地電阻設定芯片工作頻率，設定范圍為50～200 kHz。

腳3(ISNS)電流反饋輸入端該引腳接收電感電流檢測信號并提供峰值電流限制功能。該引腳上接收的是檢測電阻上的負電壓，該電壓反映了電感電流的變化。
腳4(OVP／ENA)輸出電壓采樣輸入端用于過(guò)壓保護和“休眠模式”使能。當該引腳電壓高于105．5％VREF腳8驅動(dòng)輸出將被強制關(guān)閉。當該引腳電壓降低到O.62 v以下，芯片進(jìn)入電流消耗僅為200MA的“休眠模式”，符合待機功率小于1w的Blue Angel和“能源之星”節能標準。
腳5(COMP)電壓環(huán)誤差放大器輸出端該引腳經(jīng)過(guò)外部阻容電路接地，構成電壓環(huán)路補償電路。若出現輸出空載以及輸出電壓過(guò)低的情況，該引腳將被強制置為低電平。腳6(VFB)輸出電壓反饋端 電壓環(huán)誤差放大器反向輸入端，輸出電壓經(jīng)過(guò)電阻分壓后接人該引腳，通過(guò)該引腳的作用來(lái)控制電路輸出電壓。腳8(CATE)芯片驅動(dòng)輸出端可以提供最高1．5A的輸出電流。

2 IR1150單周期控制技術(shù)分析
2.1 單周期控制技術(shù)介紹
近年來(lái)單級PFC的研究集中于如何簡(jiǎn)化傳統的PFC控制電路結構，避免對輸人電壓采樣和使用復雜的模擬乘法器。IR1150使用的最新PFC控制技術(shù)――單周期控制很好地解決了這個(gè)問(wèn)題。單級PFC電路的控制目的是要使輸入電流ig的低頻波形(50 Hz)跟隨全波整流后的輸入電壓波形Vg同時(shí)又要保持輸出電壓恒定為Vo。若控制電路的控制策略滿(mǎn)足了輸入電流與輸入電壓成比例，整個(gè)變換器可以等效為一個(gè)電阻Re則有

V1(t)和V2(t)的比較即可確定占空比D。由方程組可知，OCC需要一個(gè)積分環(huán)節。因為對于工頻輸入電流波形來(lái)說(shuō)開(kāi)關(guān)頻率紋波可以忽略，則ig可通過(guò)采樣輸入電感電流iLin獲得。

2．2 單周期控制的電路實(shí)現
IR1150內部結構框圖如圖2所示，控制環(huán)路包括一個(gè)外部的電壓環(huán)和一個(gè)內部的電流環(huán)。輸出電壓通過(guò)分壓電阻接人腳6(VFB)，該引腳內部接入電壓誤差放大器OP2反向輸入端，反饋電壓通過(guò)與VREF比較后得到控制電壓VmoVm一路與腳3(CS)電流檢測端輸入信號經(jīng)過(guò)運算得到V1(t)；另一路經(jīng)過(guò)誤差放大器OP3構成的帶有復位開(kāi)關(guān)的積分器得到三角波V2(t)。之后V1(t)與V2(t)接入比較器COMP。

工作波形如圖3所示。一個(gè)周期內的工作狀態(tài)，首先是在t1時(shí)刻時(shí)鐘CLOCK產(chǎn)生的脈沖將RS觸發(fā)器置位，Q端輸出高電平，通過(guò)驅動(dòng)電路開(kāi)通開(kāi)關(guān)管，Q端為低電平，積分器OP3工作，三角波V2(t)開(kāi)始上升，直到t2時(shí)刻V2(t)達到V1(t)的幅值，比較器COMF翻轉輸出高電平，將RS觸發(fā)器復位，Q端輸出低電平，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷。直到下一個(gè)周期初始(t3時(shí)刻)又開(kāi)始重復上述過(guò)程。

由上可知，開(kāi)關(guān)管占空比，D是由V1(t)與V2(t)比較所確定的。V1(t)即反映了電感電流的大小，同時(shí)實(shí)現了每周期的電流峰值限制。

3 基于IR1150的Boost PFC變換器設計
實(shí)驗電路如圖4所示的BoostPFC電路，輸入電壓AC 220v，頻率50Hz。輸出DC 380V，開(kāi)關(guān)頻率為100kHz，最大功率400w。相對于傳統的平均電流模式PFC電路，該電路結構簡(jiǎn)單，外部元器件數量少，非常適合功率電源模塊的PFC前級。

設計中需要注意以下幾個(gè)方面。

1)由于PFC電路的脈寬占空比是不斷變化的，所以引起的開(kāi)關(guān)噪聲比恒定脈寬的變換器要大。芯片供電腳與地之間的耦合電容必須盡量靠近芯片，使芯片的供電具有良好的抗噪能力。耦合電容的選取與開(kāi)關(guān)頻率、MOSFET的輸入電容和接于MOSFET 門(mén)極的電阻有關(guān)系，一般來(lái)說(shuō)470nF的無(wú)極電容就可以滿(mǎn)足要求。

2)PFC電感匝間寄生電容會(huì )引起開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)的漏極電流振蕩。圖5(a)所示為使用了雙層繞組PFC電感所引起的MOSFET漏極電流上升沿的振蕩波形。相比之下，如圖5(b)所示，使用了單層繞組PFC電感所引起的MOSFET漏極電流上升沿振蕩要輕微得多。

3)IR1150的驅動(dòng)能力很強，可以提供最大1．5A的門(mén)極快速驅動(dòng)。但是，高速驅動(dòng)脈沖也帶來(lái)了比較大的EMI問(wèn)題，適當地在門(mén)極添加驅動(dòng)電阻減緩驅動(dòng)脈沖的di／dt，可以降低變換器產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)噪聲，從而對前極的EMI濾波器的要求也相應降低。

4)應選擇快恢復二極管作為該電路的升壓二極管，以減小二極管反向恢復所引起的傳導和輻射干擾。在升壓二極管上并聯(lián)RC網(wǎng)絡(luò )也能取得較好效果。實(shí)驗結果如圖6所示,其中圖6(a)為該電路輸入電壓與電流波形，圖6(b)為輸入電流諧波含量。

實(shí)驗結果顯示在輸出功率349w時(shí)功率因數達到了0．992，THD僅為5．9％。達到了理想的功率因數校正效果。

4 結語(yǔ)
本文介紹的IR1150是IR公司推出的新一代PFC控制芯片，該芯片不再需要輸入電壓采樣以及復雜的模擬乘法器電路。由于采用緊湊的SO一8封裝，而且所需外圍元器件少，有助于將PFC控制板面積縮減一半，在75w～4kW功率范圍內，為計算機、消費電子產(chǎn)品和家電提供了簡(jiǎn)便、靈活、高密度的解決方案。