智能交錯：實(shí)現高效 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，飛兆半導體發(fā)布了交錯式雙臨界導通模式 (Boundary Conduction Mode, BCM) 功率因數校正 (PFC) 控制器FAN9612。FAN9612 整合了數項新穎的創(chuàng )新性功能，旨在實(shí)現性能最大化，減少外部組件數目，提供 一系列穩健的保護功能，并提高效率。

圖文：交錯式臨界導通模式PFC控制器效率最大化完善的轉換器保護功能

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)系。為了保持兩級設計所擁有的全部紋波電流消除優(yōu)勢，必須讓各個(gè)通道彼此間相差 180 度同差。由于每個(gè)通道都是針對處理 50% 功率而設計的，故同步的中斷或失敗，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算法不必要的推動(dòng)對功率級冗余設計 (over design)的需求。FAN9612 采用飛兆半導體專(zhuān)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)故障模式導致一個(gè)信道無(wú)法工作，內部重啟動(dòng)定時(shí)器會(huì )被激活，相當于高效的功率限制，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(wú)需功率級冗余設計，從而獲得針對效率、性能和可靠性高度優(yōu)化的設計。

任何電源設計都要優(yōu)先考慮啟動(dòng)，PFC 轉換器也不例外。對大多數 PFC 應用而言，穩壓輸出電壓設置點(diǎn)在 400V 范圍之內，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)組件造成額外的應力。FAN9612 能夠解決與啟動(dòng)有關(guān)的兩大重要問(wèn)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(zhuān)有軟啟動(dòng)電路的功能實(shí)現及啟動(dòng)程序仿真。

圖1 閉環(huán)軟啟動(dòng)性能

通過(guò)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的控制保持良好。不管在軟啟動(dòng)周期內后級DC-DC 轉換器從何處開(kāi)始消耗 PFC 輸出的功率，FAN9612 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。

除了閉環(huán)軟啟動(dòng)工作模式之外，FAN9612 還具有通過(guò) VOUT 電阻分壓器網(wǎng)絡(luò )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 IC 都必須對 VDD 電容進(jìn)行充電，直到電壓達到控制 IC 欠壓鎖定 (UVLO) 導通閾值為止。這一般需要額外的電路，因而會(huì )增加功耗及降低效率。有些設計人員會(huì )采用這種方法：當通過(guò)自舉偏置 (bootstrap bia) 電源對 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，但往往需要高側開(kāi)關(guān)和驅動(dòng)電路，從而增加外部組件的數目。FAN9612 經(jīng)特別設計，無(wú)需外部啟動(dòng)電阻即可啟動(dòng)。在 FB 和 VDD 之間增加一個(gè)小信號二極管 DSTART 即可提供一條經(jīng)過(guò) RFB1 的電流路徑，見(jiàn)圖 2 中的紅色虛線(xiàn)。一旦內部 5V 參考電壓有輸出，小信號 MOSFET QSTART 就被開(kāi)通，電阻反饋網(wǎng)絡(luò )即從啟動(dòng)功能中解脫出來(lái)。另外也可以根據情況 ，忽略 DSTART 和 QSTART，采用傳統的啟動(dòng)方法。

圖2 交替式簡(jiǎn)化啟動(dòng)電路

對于感測 AC 輸入電壓的 PFC 電路，大多數控制器都需要一個(gè)外部?jì)蓸O濾波器來(lái)獲得 RMS 線(xiàn)電壓。雖然這對線(xiàn)路 UVLO (也稱(chēng)為 brown-out 保護，即電壓過(guò)低保護) 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 電壓信息來(lái)實(shí)現任何部分的 PWM 控制，比如電壓前饋。而 FAN9612 卻能夠通過(guò)感測 AC 輸入電壓的峰值來(lái)獲得 RMS 值。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。如圖 3 所示，FAN9612 利用經(jīng)過(guò)分壓(divided down) 的峰值電壓信號來(lái)實(shí)現欠壓保護 (VIN(UVLO))、輸入過(guò)壓保護 (VIN(OVP))，以及電壓前饋 (VIN(VFF)) 這些 PWM 控制任務(wù)。RIN1 和 RIN2 的比值可用于設定 VIN(OVP) 、跳變點(diǎn)和欠壓保護級。 FAN9612 獨有的Brown out遲滯可編程特性，可通過(guò)內部 2μA 電流源和 RIN(HYS) 進(jìn)行設置。

圖3 輸入電壓感測電路

電壓前饋為 PFC 轉換器提供了數種優(yōu)勢。首先，控制環(huán)路增益變得與輸入電壓無(wú)關(guān)，這就大大簡(jiǎn)化了補償任務(wù)，并有助于在線(xiàn)路瞬變期間保持更嚴格的輸出電壓調節。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(hù)可編程最大導通時(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，FAN9612 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(zhuān)為太陽(yáng)能應用而設計的逆變器。

除了欠壓保護和輸入電壓 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 對輸出電壓進(jìn)行分壓，并把信號饋入到 FAN9612 跨導誤差放大器的輸入端。一個(gè)非鎖死輸出 OVP 電路內部監控該信號，并被設置在反饋電壓超過(guò) 3.25V 時(shí)阻止開(kāi)關(guān)。因此實(shí)際上，RFB1 和 RFB2 具有調節輸出電壓和執行輸出 OVP 的雙重功能。某些應用可能有限制輸出 OVP 和電壓調節功能共享同一組串聯(lián)電阻的設計要求。FAN9612針對這一問(wèn)題提供第二級鎖定 OVP 功能，該鎖定電路的閾值為3.5V ，可通過(guò)ROV1 和 ROV2 來(lái)主動(dòng)設置比非鎖定 的OVP更高的保護電壓 。在 RFB2 與地短路這種可能性較小的事件中，這個(gè)第二級 OVP 功能可關(guān)閉DRV1 和 DRV2。

圖4 簡(jiǎn)化應用電路

至于過(guò)流保護 (OCP)，FAN9612 可通過(guò)圖 4 中的 RCS1 和 RCS2 獨立感測每個(gè)通道的峰值電流。較之在返回路徑上采用單個(gè)電流感測電阻，對相位的逐個(gè)感測可提供更可靠、更有效的 OCP 解決方案。為了減少組件，每個(gè)輸入都在內部集成了一個(gè)小型 RC 濾波器 (一般用于抑制電流感測輸入中的前沿尖刺)。最后，FAN9612 電流感測閾值設為 200mV，以使電流感測電阻上的功耗最小化。

FAN9612 采用數項節能技術(shù)來(lái)滿(mǎn)足額定負載和輕負載下的效率要求。其同步電路的一部分利用最大頻率鉗位來(lái)限制輕載下和 AC 輸入電壓的過(guò)零點(diǎn)附近的與頻率相關(guān)的 Coss MOSFET 開(kāi)關(guān)損耗。在 VIN 線(xiàn)電壓部分大于 VOUT/2 期間，使用谷底開(kāi)關(guān)技術(shù)以感測最佳MOSFET 導通時(shí)間，可進(jìn)一步降低 Coss 電容性開(kāi)關(guān)損耗。另一方面，當 VIN 小于 VOUT/2時(shí)，主功率 MOSFET 利用零電壓開(kāi)關(guān) (ZVS) 導通。ZVS 結合 BCM 工作模式的零電流開(kāi)關(guān) (ZCS)，可消除 MOSFET 導通開(kāi)通損耗和輸出整流器的反向恢復損耗。

FAN9612 的自動(dòng)相位管理可以滿(mǎn)足提高輕載效率的要求。FAN9612 評測板 (EVB) 可以演示約30% (相位禁用) 和 40% (相位啟用)負載電流之間的相位管理能力，而利用FAN9612 MOT 輸入則可準確調節閾值。圖 5 所示的效率圖顯示了在負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。當負載電流達到最大額定值的近 40% 時(shí)，兩通道交錯式工作恢復。FAN9612 EVB 是一個(gè) 400W 雙交錯式BCM PFC 轉換器，當 VIN = 115VAC 時(shí)，測得輕載負載效率提高 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，對于 1KW 以下的 PFC 解決方案，FAN9612 能夠實(shí)現盡可能高的效率級別，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式 BCM PFC 控制器。

可受益于這種拓撲的應用包括消費電子產(chǎn)品、數字顯示器 (LCD、PDP、醫療設備)、照明、臺式電腦、入門(mén)級服務(wù)器、電信整流器、工業(yè)電源系統，以及太陽(yáng)能逆變器。