智能交错—实现高效AC/DC电源的先进PFC控制器
发布时间：2009-10-10 07:25
发布者：贾延安
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作者：飞兆半导体公司 Steve Mappus 日期：2009-9 交错是一种特殊的并联方式，即在两个或多个功率级 (通常称之为相位或通道) 之间存在独特的相位关系，为了保持两级设计所拥有的全部纹波电流消除优势，必须让各个通道彼此间相差180°同差。由于每个通道都是针对处理50%功率而设计的，故同步的中断或失败，尤其是在负载超过最大额定电流的50%时，就可能造成整个设计的崩溃。 FAN9612采用飞兆半导体专有的同步方案Sync-Lock，可确保软启动、软中止(Soft-Stop)期间以及所有瞬态和稳态工作条件下近乎完美的180°同步。如果某个故障模式导致一个信道无法工作，内部重启动定时器会被激活，相当于高效的功率限制，可防止此通道提供全额定功率。所有这些同步和安全功能都完全由FAN9612处理，无须功率级冗余设计，从而能实现针对效率、性能和可靠性高度优化的设计。 任何电源设计都要优先考虑启动，PFC转换器也不例外。对大多数PFC应用而言，稳压输出电压设置点在400V 范围之内，故只要有任何电压过冲，尤其是在软启动期间，就会对输出大电容和开关组件造成额外的应力。FAN9612能够解决与启动有关的两大重要问题。第一是能够在整个启动程序期间保持闭环软启动。图1所示为FAN9612专有软启动电路的功能实现及启动程序仿真。 
图1 闭环软启动性能 通过把参考电压钳位在误差放大器反馈电压，软启动电容CSS 稍微预充电，加快初始化启动。更重要的是，误差放大器输出直接控制软启动充电电流ISS(VCTRL)。因此，若误差放大器接近饱和，电流源就减小 VSS(t)，确保对误差放大器输出电压的良好控制。不管在软启动周期内后级DC/DC 转换器从何处开始消耗 PFC输出的功率，FAN9612都可以在内部调节同相误差放大器输入以避免饱和，确保启动或重启动期间不会因瞬态故障条件而产生电压过冲。 除了闭环软启动工作模式之外，FAN9612还具有通过VOUT电阻分压器网络直接启动的可选功能。对于没有足够的辅助偏置电源电压或待机电源的应用，启动任何高电压IC都必须对VDD电容进行充电，直到电压达到控制IC欠压锁定(UVLO)导通阈值为止。这一般需要额外的电路，因而会增加功耗及降低效率。有些设计人员会采用这种方法：当通过自举偏置(bootstrap bia)电源对PFC控制IC进行供电时，关断启动电路。虽然这种方案有助于降低功耗，但往往需要高侧开关和驱动电路，从而增加外部组件的数目。 FAN9612经特别设计，无须外部启动电阻即可启动。在FB和VDD之间增加一个小信号二极管DSTART即可提供一条经过RFB1的电流路径，见图2 中的红色虚线。一旦内部5V参考电压有输出，小信号MOSFET QSTART就被开通，电阻反馈网络即从启动功能中解脱出来。另外也可以根据情况，忽略DSTART和QSTART，采用传统的启动方法。 
图2 交替式简化启动电路 对于感测AC输入电压的PFC电路，大多数控制器都需要一个外部两极滤波器来获得RMS线电压。虽然这对线路UVLO(也称为brown- out保护，即电压过低保护)是可接受的，但两极滤波器的慢速和低灵敏度会导致额外的线电流失真，从而妨碍利用 RMS 电压信息来实现任何部分的PWM控制，比如电压前馈。而FAN9612却能够通过感测AC输入电压的峰值来获得RMS值。由于RMS值与线电压峰值成比例，所需外部电路就从两极滤波器简化为一个简单的电阻分压器。如图3所示，FAN9612利用经过分压(divided down)的峰值电压信号来实现欠压保护(VIN(UVLO))、输入过压保护(VIN(OVP))，以及电压前馈(VIN(VFF))这些PWM控制任务。RIN1和RIN2的比值可用于设定VIN(OVP)、跳变点和欠压保护级。FAN9612独有的Brown out迟滞可编程特性，可通过内部2μA电流源和RIN(HYS)进行设置。 
图3 输入电压感测电路 电压前馈为PFC转换器提供了数种优势。首先，控制环路增益变得与输入电压无关，这就大大简化了补偿任务，并有助于在线路瞬变期间保持更严格的输出电压调节。其次，输入电流仍为正弦波，即使在功率受限期间也可减少电流失真。第三，由于用户可编程最大导通时间(MOT)与VIN成比例，所以每个通道都获得一个有效的功率限制功能。最后，FAN9612还能够在DC输入电压下工作，故而适用于大功率逆变器，比如那些专为太阳能应用而设计的逆变器。 除了欠压保护和输入电压OVP外，FAN9612还具有两极输出电压OVP功能。图4中所示的反馈电阻RFB1和RFB2对输出电压进行分压，并把信号馈入到FAN9612跨导误差放大器的输入端。一个非锁死输出OVP电路用于在内部监控该信号，并被设置在反馈电压超过3.25V时阻止开关。因此实际上，RFB1和RFB2具有调节输出电压和执行输出OVP的双重功能。某些应用可能有限制输出OVP和电压调节功能共享同一组串联电阻的设计要求。FAN9612针对这一问题提供第二级锁定OVP功能，该锁定电路的阈值为3.5V，可通过ROV1和ROV2来主动设置比非锁定的OVP更高的保护电压。在RFB2与地短路这种可能性较小的事件中，这个第二级OVP功能可关闭DRV1和DRV2。 
图4 简化应用电路 至于过流保护(OCP)，FAN9612可通过图4中的RCS1和RCS2独立感测每个通道的峰值电流。较之在返回路径上采用单个电流感测电阻，对相位的逐个感测可提供更可靠、更有效的OCP解决方案。为了减少组件，每个输入都在内部集成了一个小型RC滤波器 (一般用于抑制电流感测输入中的前沿尖刺)。最后，FAN9612电流感测阈值设为200mV，以使电流感测电阻上的功耗最小化。 FAN9612采用数项节能技术来满足额定负载和轻负载下的效率要求。其同步电路的一部分利用最大频率钳位来限制轻载下和AC输入电压的过零点附近的与频率相关的Coss MOSFET开关损耗。在VIN线电压部分大于VOUT/2期间，使用谷底开关技术以感测最佳MOSFET导通时间，可进一步降低Coss电容性开关损耗。另一方面，当VIN小于VOUT/2时，主功率MOSFET利用零电压开关(ZVS)导通。ZVS结合BCM工作模式的零电流开关(ZCS)，可消除 MOSFET导通开通损耗和输出整流器的反向恢复损耗。 FAN9612的自动相位管理可以满足提高轻载效率的要求。FAN9612评测板(EVB)可以演示约30%(相位禁用)和40%(相位启用)负载电流之间的相位管理能力，而利用FAN9612 MOT输入则可准确调节阈值。图5显示了在负载电流刚好下跌到最大额定值的30%以下致使某个相位禁用时，轻载效率的提高。当负载电流达到最大额定值的近 40%时，两通道交错式工作恢复。FAN9612 EVB是一个400W双交错式BCM PFC转换器，当VIN=115VAC时，测得轻载负载效率提高1%；VIN=230VAC时，提高6.5%。 
图5 FAN9612 EVB相位管理的效率性能（注：包含EMI滤波器） 总而言之，对于1KW以下的PFC解决方案，FAN9612能够实现尽可能高的效率级别，并具有最丰富的功能和性能组合，是目前市面上最好的交错式BCM PFC控制器。 可受益于这种拓扑的应用包括消费电子产品、数字显示器 (LCD、PDP、医疗设备)、照明、台式电脑、入门级服务器、电信整流器、工业电源系统，以及太阳能逆变器。 |
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