新型低成本CCM PFC控制器原理与测试

摘要：一种新的连续导通模式(CCM)的功率因数校正(PFC)控制器，被命名为ICE1PCS01, 是基于一种新的控制方案开发出来的。与传统的PFC解决方案比较，这种新的集成芯片(IC)无需直接来自交流电源的正弦波参考信号。该芯片采用了电流平均值控制方法，使得功率因数可以达到1。通过增强动态响应的方法使得负载突然波动时的动态特性得到改善。独特的软启动方式防止了启动时过高的浪涌电流。为了确保系统的安全运行，也提供了各种保护措施。本文将介绍该芯片工作过程，同时提供了测试结果。此芯片采用双列直插8管脚的封装形式，适用于低成本的PFC设计。

一、简介

传统的用于电子设备前端的二极管整流器，因为导致电源线的脉冲电流，干扰电网线电压，产生向四周辐射和沿导线传播的电磁干扰，导致电源的利用效率下降。近几年来，为了符合国际电工委员会61000-3-2的谐波准则，有源PFC电路正越来越引起人们的注意。对于小于200瓦的小功率装置，不连续调制模式(DCM)因其低廉的价格受到普遍欢迎。另外，它的控制电路块中只有一个电压控制环，因而采用DCM的PFC设计简单易行。然而，由于它固有的电流纹波较大，DCM很少应用于大功率场合。在大功率场合，CCM的PFC更具有吸引力。在CCM的拓扑结构中，它的传输函数存在电压环和电流环两个控制环路。因而CCM的控制电路设计复杂，CCM PFC控制器的管脚数目也较多。ICE1PCS01这种新的PFC控制器，是为了降低设计费用和难度而开发的。它仅有8个管脚。此外，根据故障模式影响分析(FMEA)，很多的保护电路被集成在这块芯片中。本文将对此IC的功能进行详细地介绍，并通过测试结果验证了它的性能。

二、芯片功能

1. 无直接参考正弦波传感信号的均值电流控制

传统的CCM PFC结构电路如图1所示。图1：传统的CCM有源PFC电路和它的波形

可以看出，在传统的PFC电路存在两个控制环。一个是电压环，它被用来调整输出电压；另外一个是电流环，它被用来控制输入电流。误差放大器的输出Verr决定了输入电流Iin的幅值大小。Verr乘以正弦波参考信号|Vin|得到正弦输入电流。在传统的CCM PFC中，|Vin|是必不可少的，它用于产生电流控制环中的正弦波输入电压。

这个被称为ICE1PCS01新的PFC控制器的一个典型应用如图2所示。它仅有8个管脚，也没有直接馈入芯片的正弦波传感信号。

该芯片的基本原理如下所述。假设电压环正处于工作状态，输出电压保持恒定，则一个CCM升压型PFC控制系统的MOSFET关断占空比DOFF可以由下面的公式得到：

从上面的公式可知，DOFF正比于VIN。电流环的目的在于调整电感电流的平均值，使得它正比于关断占空比DOFF，从而正比于输入电压VIN。这个关系式可以通过前边沿调制方式实现，如图3所示。

图3：电流平均值控制

斜坡信号由内部的振荡器产生，斜坡信号的幅值一方面受内部的控制信号控制，但另一方面却可以影响线输入平均值电流的幅值。

2. 增强动态响应

由于PFC的固有属性，PFC动态环路总是用低带宽进行补偿，目的是不对频率为2×fL波纹响应。这里fL指的是交流电源线的频率。所以当负载突变时，调整电路不能作出快速响应，从而引起输出电压起落过大。为了解决这个PFC应用中的问题，在芯片中采用了增强动态响应。一旦输出电压超出正常值的5％，IC将跳过慢补偿运算放大器，直接作用于内部非线性增益块而影响占空比。输出电压能够在一个短时间内回复到正常值。图4所示为实现增强动态响应的控制模块。载荷突变的测试波形如图5和图6所示。

额定输出电压是400V直流。在图5中，可以看出，当输出电压达到420V，开关立刻截止。输出电压的过冲被限制在额定电压的5%以下。输出过冲电压保护也采用同样的控制策略。在图6中，可以看出，当Vsense下降到4.75V，也就是比额定电压低5%，IC立刻响应，门驱动的占空比立刻增加。电压降被控制在40V以内。

3. 软启动

该IC具有高效的软启动功能，如图7所示，该功能可以控制启动电流，使其输入电流幅度连续而渐进地上升到较高的值，直至输出电压达到额定电压的80%，然后进入正常的控制模式。这一启动过程中的电流波形如图8所示。相对于一般的的软启动系统，该系统仅控制占空比，输入电流保持正弦，不激活峰值电流限幅。因此升压二极管不会受到因高占空比而形成的大电流的冲击。这个高的浪涌电流将会危及升压二极管，特别对碳化硅升压二极管，因为相对硅二极管来说，碳化硅二极管的峰值电流能力更小。

4. 保护

根据故障模式影响分析(FMEA)，许多保护功能被集成在芯片中，例如开环保护、输出过压保护、交流电源欠压保护、IC电源欠压保护、峰值电流限幅、软过电流限幅等。下面将详细介绍开环保护和输出电压保护这两种独特的保护功能。

(1)开环保护(OLP)/输入欠压保护

开环意味着反馈环被断开，没有反馈信号进入IC。在这种情况下，如果没有保护措施，内部的控制电压将会被调节到最大值，IC将提高占空比以传送最大功率。在这种故障情况下，输出电压仅仅取决于输出电流。在负载较小的情况下，将会产生很高的电压过冲，这将危及到后面的用电设备。该IC具有开环保护以对输出电压进行监控，如图9所示。一旦VSENSE电压低于0.8V，也就是VOUT低于额定电压16%的时候，就意味着进入了开环状态(VSENSE管脚没有连接)或者输入电压小于额定值。在这种情况下，芯片中绝大多数模块将停止工作。该保护功能是通过阈值电压为0.8V的比较器C3实现的。图10是在高交流电源输入电压和小负载情况下的测试波形。

如图所示，一旦出现开环故障，MOSFET门开关立即停止工作，输出电压没有过冲。

该保护也可用于在某些情况下关闭PFC，例如待机模式等。

(2)输出过压保护(OVP)

增强动态响应模块也具有输出过压保护功能。一旦VOUT超过额定电压5%，输出过压保护OVP功能就被激活，如图5所示。通过判断VSENSE管脚的电压是否大于参考电压5.25V就可以实现这一功能。VSENSE 电压高于5.25V时，IC会跳过正常的电压环控制而直接控制占空比使其立刻下降到0。这将导致输入功率下降，从而使得输出电压VOUT下降。

三、测试结果

一个350W的测试板被用来检验其性能。测试电路如图11，测试数据如下所示。开关频率设定为200kHz。

在1/4满载的情况下，功率因数仍超过90%。另外，PFC变换器也可以在空载的情况下提供稳定的输出电压。

四、结论

本文介绍了一种新型的CCM PFC控制器。根据测试结果，功率因数可以满足要求。该PFC可以在从空载到满载这样一个很大的载荷范围内工作。此外，为了提高系统的可靠性，该IC还具有很多保护措施，比如开环保护、输出过压保护、交流电源欠压保护、IC电源欠压保护、峰值电流限幅、软过电流限幅等。这个新的8管脚的PFC控制器很适应低成本的CCM PFC设计。

参考文献：1. Infineon Technologies: ICE1PCS01 - Standalone Power Factor Correction Controller in Continuous Conduction Mode; Preliminary datasheet; Infineon Technologies; Munich; Germany; Sept. 2002.

作者：Junyang Luo, Meng Kiat Jeoh

Ming Lik Yew and Heng Cheong Huang

Infineon Technologies Asia Pacific Pte. Ltd.,

Junyang.Luo@infineon.com