新型CCM PFC控制器原理與測試

一、簡(jiǎn)介

傳統的用于電子設備前端的二極管整流器，因為導致電源線(xiàn)的脈沖電流，干擾電網(wǎng)線(xiàn)電壓，產(chǎn)生向四周輻射和沿導線(xiàn)傳播的電磁干擾，導致電源的利用效率下降。近幾年來(lái)，為了符合國際電工委員會(huì )61000-3-2的諧波準則，有源PFC電路正越來(lái)越引起人們的注意。對于小于200瓦的小功率裝置，不連續調制模式(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設計簡(jiǎn)單易行。然而，由于它固有的電流紋波較大，DCM很少應用于大功率場(chǎng)合。在大功率場(chǎng)合，CCM的PFC更具有吸引力。在CCM的拓撲結構中，它的傳輸函數存在電壓環(huán)和電流環(huán)兩個(gè)控制環(huán)路。因而CCM的控制電路設計復雜，CCM PFC控制器的管腳數目也較多。ICE1PCS01這種新的PFC控制器，是為了降低設計費用和難度而開(kāi)發(fā)的。它僅有8個(gè)管腳。此外，根據故障模式影響分析(FMEA)，很多的保護電路被集成在這塊芯片中。本文將對此IC的功能進(jìn)行詳細地介紹，并通過(guò)測試結果驗證了它的性能。

二、芯片功能

1. 無(wú)直接參考正弦波傳感信號的均值電流控制

傳統的CCM PFC結構電路如圖1所示。圖1：傳統的CCM有源PFC電路和它的波形

可以看出，在傳統的PFC電路存在兩個(gè)控制環(huán)。一個(gè)是電壓環(huán)，它被用來(lái)調整輸出電壓；另外一個(gè)是電流環(huán)，它被用來(lái)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|Vin|得到正弦輸入電流。在傳統的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(chēng)為ICE1PCS01新的PFC控制器的一個(gè)典型應用如圖2所示。它僅有8個(gè)管腳，也沒(méi)有直接饋入芯片的正弦波傳感信號。

該芯片的基本原理如下所述。假設電壓環(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(guò)前邊沿調制方式實(shí)現，如圖3所示。

圖3：電流平均值控制

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

2. 增強動(dòng)態(tài)響應

由于PFC的固有屬性，PFC動(dòng)態(tài)環(huán)路總是用低帶寬進(jìn)行補償，目的是不對頻率為2×fL波紋響應。這里fL指的是交流電源線(xiàn)的頻率。所以當負載突變時(shí)，調整電路不能作出快速響應，從而引起輸出電壓起落過(guò)大。為了解決這個(gè)PFC應用中的問(wèn)題，在芯片中采用了增強動(dòng)態(tài)響應。一旦輸出電壓超出正常值的5％，IC將跳過(guò)慢補償運算放大器，直接作用于內部非線(xiàn)性增益塊而影響占空比。輸出電壓能夠在一個(gè)短時(shí)間內回復到正常值。圖4所示為實(shí)現增強動(dòng)態(tài)響應的控制模塊。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，當輸出電壓達到420V，開(kāi)關(guān)立刻截止。輸出電壓的過(guò)沖被限制在額定電壓的5%以下。輸出過(guò)沖電壓保護也采用同樣的控制策略。在圖6中，可以看出，當Vsense下降到4.75V，也就是比額定電壓低5%，IC立刻響應，門(mén)驅動(dòng)的占空比立刻增加。電壓降被控制在40V以?xún)?/FONT>

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而漸進(jìn)地上升到較高的值，直至輸出電壓達到額定電壓的80%，然后進(jìn)入正常的控制模式。這一啟動(dòng)過(guò)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，該系統僅控制占空比，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，因為相對硅二極管來(lái)說(shuō)，碳化硅二極管的峰值電流能力更小

4. 保護

根據故障模式影響分析(FMEA)，許多保護功能被集成在芯片中，例如開(kāi)環(huán)保護、輸出過(guò)壓保護、交流電源欠壓保護、IC電源欠壓保護、峰值電流限幅、軟過(guò)電流限幅等。下面將詳細介紹開(kāi)環(huán)保護和輸出電壓保護這兩種獨特的保護功能。

(1)開(kāi)環(huán)保護(OLP)/輸入欠壓保護

開(kāi)環(huán)意味著(zhù)反饋環(huán)被斷開(kāi)，沒(méi)有反饋信號進(jìn)入IC。在這種情況下，如果沒(méi)有保護措施，內部的控制電壓將會(huì )被調節到最大值，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。在負載較小的情況下，將會(huì )產(chǎn)生很高的電壓過(guò)沖，這將危及到后面的用電設備。該IC具有開(kāi)環(huán)保護以對輸出電壓進(jìn)行監控，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(zhù)進(jìn)入了開(kāi)環(huán)狀態(tài)(VSENSE管腳沒(méi)有連接)或者輸入電壓小于額定值。在這種情況下，芯片中絕大多數模塊將停止工作。該保護功能是通過(guò)閾值電壓為0.8V的比較器C3實(shí)現的。圖10是在高交流電源輸入電壓和小負載情況下的測試波形。

如圖所示，一旦出現開(kāi)環(huán)故障，MOSFET門(mén)開(kāi)關(guān)立即停止工作，輸出電壓沒(méi)有過(guò)沖。

該保護也可用于在某些情況下關(guān)閉PFC，例如待機模式等。

(2)輸出過(guò)壓保護(OVP)

增強動(dòng)態(tài)響應模塊也具有輸出過(guò)壓保護功能。一旦VOUT超過(guò)額定電壓5%，輸出過(guò)壓保護OVP功能就被激活，如圖5所示。通過(guò)判斷VSENSE管腳的電壓是否大于參考電壓5.25V就可以實(shí)現這一功能。VSENSE 電壓高于5.25V時(shí)，IC會(huì )跳過(guò)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。這將導致輸入功率下降，從而使得輸出電壓VOUT下降。

三、測試結果

一個(gè)350W的測試板被用來(lái)檢驗其性能。測試電路如圖11，測試數據如下所示。開(kāi)關(guān)頻率設定為200kHz。

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

四、結論

本文介紹了一種新型的CCM PFC控制器。根據測試結果，功率因數可以滿(mǎn)足要求。該PFC可以在從空載到滿(mǎn)載這樣一個(gè)很大的載荷范圍內工作。此外，為了提高系統的可靠性，該IC還具有很多保護措施，比如開(kāi)環(huán)保護、輸出過(guò)壓保護、交流電源欠壓保護、IC電源欠壓保護、峰值電流限幅、軟過(guò)電流限幅等。這個(gè)新的8管腳的PFC控制器很適應低成本的CCM PFC設計。