探討如何憑借智能交錯技術(shù)提高AC/DC電源效率

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

　　由于每個(gè)通道都是針對處理50%功率而設計的，故同步中斷或失敗，尤其是在負載超過(guò)最大額定電流的50%時(shí)，就可能造成整個(gè)設計的崩潰。換言之，缺乏嚴格容限的同步演算法會(huì )導致不必要的功率級冗余設計需求。因此，設計工程師必須採用可在任何狀況下均確保同步的解決方案，方能避免系統崩潰的條件下，兼顧系統的實(shí)作成本。目前市場(chǎng)上已有晶片供應商開(kāi)發(fā)出可滿(mǎn)足此一需求的功率因數校正（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)故障模式導致一個(gè)通道無(wú)法工作，內部的重啟動(dòng)計時(shí)器便會(huì )啟動(dòng)，有效執行功率限制，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(shuō)明這類(lèi)先進(jìn)PFC控制器的特性，以及其能為電源供應器系統設計所帶來(lái)的種種優(yōu)勢。

　　軟啟動(dòng)/分壓器網(wǎng)路攜手 電壓過(guò)沖難題有解

　　任何電源設計都要優(yōu)先考慮啟動(dòng)，功率因數校正控制器也不例外。對大多數PFC應用而言，穩壓輸出電壓設置點(diǎn)在400伏特范圍內，故只要有任何電壓過(guò)沖，尤其是在軟啟動(dòng)期間，就會(huì )對輸出大電容和開(kāi)關(guān)元件造成額外的應力。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)現及啟動(dòng)程式模擬。

　　圖1　閉迴路軟啟動(dòng)性能

　　透過(guò)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），確保對誤差放大器輸出電壓保持良好控制。如此一來(lái)，無(wú)論在軟啟動(dòng)週期內，后級直流對直流（DC-DC）轉換器從何處開(kāi)始消耗控制器輸出的功率， 都可以在內部調節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(guò)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(guò) VOUT 電阻分壓器網(wǎng)路直接啟動(dòng)的可選功能。對于沒(méi)有足夠的輔助偏置電源電壓或待機電源的應用，啟動(dòng)任何高電壓晶片都必須對VDD電容進(jìn)行充電，直到電壓達到控制晶片欠壓鎖定（UVLO）導通閾值為止。要實(shí)現這項功能，設計工程師通常都必須額外設計一套電路，因而會(huì )增加功耗及降低效率。

　　為了解決上述問(wèn)題，有些設計人員會(huì )採用一種特殊的設計方法，亦即當PFC控制晶片是透過(guò)自舉偏置（Bootstrap Bias）進(jìn)行供電時(shí)，系統則關(guān)閉啟動(dòng)電路。雖然這種方案有助于降低功耗，但往往需要高側開(kāi)關(guān)和驅動(dòng)電路，從而增加外部元件的數目。目前市場(chǎng)上已有經(jīng)過(guò)特別設計的解決方案可克服此一問(wèn)題，無(wú)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)小信號二極體（DSTART），即可提供一條經(jīng)過(guò)RFB1的電流路徑，即圖 2 中的虛線(xiàn)。一旦內部5伏特參考電壓產(chǎn)生輸出，小訊號金屬氧化物半導體場(chǎng)效電晶體（MOSFET），也就是圖2中的QSTART就被開(kāi)通，電阻回饋網(wǎng)路即從啟動(dòng)功能中釋放出來(lái)。另外也可以根據情況 ，忽略DSTART和QSTART，採用傳統的啟動(dòng)方法。

　　圖2　交替式簡(jiǎn)化啟動(dòng)電路

　　擺脫兩極濾波器束縛 欠壓保護設計更具彈性

　　對于感測交流（AC）輸入電壓的 PFC 電路，大多數控制器都須搭配一個(gè)外部?jì)蓸O濾波器來(lái)取得RMS線(xiàn)電壓。雖然這對線(xiàn)路欠壓保護（也稱(chēng)為Brown-out保護，即電壓過(guò)低保護）而言，是可接受的，但兩極濾波器的慢速和低靈敏度會(huì )導致額外的線(xiàn)電流失真，從而妨礙利用RMS電壓資訊來(lái)實(shí)現脈衝寬度調變（PWM）控制，如電壓前饋。因此，理想的解決方案應能透過(guò)感測AC輸入電壓的峰值來(lái)獲得RMS值，從而避免使用外部?jì)蓸O濾波器。由于 RMS 值與線(xiàn)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。