新型CCM PFC控制器ICE1PCS01及其应用

1 引言

功率因数校正（PFC）技术是提高电气产品功率因数的简捷、有效途径，因而受到越来越广泛的关注。PFC电路有连续电流导通模式(CCM)和断续电流导通模式(DCM)两种[1]。DCM因其控制简单，价格低廉，在200W及以下的小功率装置中受到欢迎，但是它的电流纹波较大；CCM需要设计电压环和电流环两个控制环，两个调节器回路需要相应的外接元件，如常用的CCM PFC专用集成控制器UC3854，共有16个引脚，外围元件数量达30余个，电路设计相对复杂，控制调整不方便。因此，新型简便的专用控制电路的开发和应用对PFC技术的实用化具有重要的意义[2][3]。

为了降低设计难度和费用，英飞凌（Infineon）公司推出了一种新型低成本的CCM PFC专用控制器ICE1PCS01，该芯片采用平均电流值控制，使得功率因数可以达到1，谐波分量完全符合IEC 1000-3-2 Class D标准。该芯片无需直接来自交流电源的正弦波参考信号，外围器件少，外围电路简单，具有更快速的动态响应、独特的软启动方式和更加完善的各种保护功能[4][5]。

下面对CCM PFC控制器ICE1PCS01的特点、引脚功能、电气参数、功能描述以及典型应用进行介绍。

2 特点和引脚说明

2.1 特点

CCM PFC专用控制器ICElPCS01具有以下应用特点。

① ICE1PCS01仅有8个管脚，所需外围器件少；

② 支持宽范围内的电压输入；

③ 50kHz-250kHz可调频率范围；

④ 频率在125kHz时，最大占空比为95％（典型值）；

⑤ 内部参考电压；

⑥ 芯片供电电压10.0V-21.0V（典型值）；

⑦ 增强的动态响应；单周电流峰值限制；

⑧ 高效的可限制启动电流的软启动功能；

⑨ 具有多项保护功能，如开环保护、输出过压保护、交流电源欠压保护、电源欠压保护、峰值电流限幅及软过流限幅保护等；

⑩ 满足IEC 1000-3-2 Class D标准的谐波分量要求。

2.2 引脚说明

ICE1PCS01采用PDIP-8-4和PDSO-8-3两种封装形式，如图1（a）所示，其引脚排列如图1（b）所示。内部电路结构图如图2所示。

ICE1PCS01的引脚功能介绍如下：

l GND（引脚1）：芯片接地端。

l ICOMP（引脚2）：电流环补偿器。该管脚构成电流控制环的低通滤波器和补偿器，一般在PFC电路中电流采样获得的是与电感电流成比例的负电压，该电压输入ICE1PCS01的ISENSE脚（引脚3）后接入内部跨导运放OTA2的输出端，跨导运放和ICOMP脚（引脚2）外接的补偿电容构成一个滤波环节，将输入ISENSE脚的带有纹波的、反映电感电流的电压波形滤波为一个反映电感平均电流的正向电压波形。

l ISENSE（引脚3）：电流采样输入端。该管脚通过外接的电流传感电阻检测电感电流在电阻上的电压降，作为电流控制环中平均电流调整器的输入信号，同时该信号也是峰值电流限制模块的输入信号。为了防止电流上升阶段高浪涌电流在检测电阻上引起的高电压降而导致引脚3超出其最大承受值，通常串联一个的电阻来限制注入ICE1PCS01芯片的电流。

（a）两种不同形式的封装图 （b）引脚排列图

图1 ICE1PCS01的封装与引脚排列图

l FREQ（引脚4）：频率设置端。该管脚可以通过对地外接一个电阻来设定系统的开关频率，可调频率范围为50kHz-250kHz。

l VSENSE（引脚5）：输出电压传感/反馈端。该管脚通过电阻分压网络采样输出电压，该管脚的参考电压为5V。

l VCOMP（引脚6）：电压环补偿器。该管脚通过对地连接的一个补偿网络构成电压控制环的补偿器，而且提供系统的软启动功能以控制启动时输入电流的上升。

l VCC（引脚7）：芯片供电端。该管脚通过外接电源辅助装置为芯片提供工作电源，工作电压范围为10V-21V，芯片开通阈值为11.2V，关断阈值为10.2V。需要注意的是该芯片内部并没有对电源装置进行限制的箝位网络。

l GATE（引脚8）：驱动输出端。该管脚为内部驱动电路的输出端，具有1.5A的驱动能力，输出驱动信号的高电平电压值为11.5V（典型值，芯片供电电压为20.0V时）。

图2 ICE1PCS01芯片内部电路图

3 电气参数

ICE1PCS01芯片的主要电气参数如表1所示。

表1 ICE1PCS01的主要电气参数表

注：如无特殊说明，测试条件均为：，VCC=15V。

4 功能描述

ICE1PCS01控制芯片专门为功率因数变换器设计，支持85VAC-265VAC的宽电压输入范围，适用于BOOST拓扑结构PFC电路，采用平均电流控制模式，工作于连续电流导通模式(CCM)。该芯片具有双环调节功能：内环电流环和外环电压环。在CCM工作模式下电流环控制平均电流跟踪输入电压呈现正弦波，在轻载和一定电感值条件下，系统可能会进入断续电流导通模式(DCM)，此时平均电流波形会有一定程度的畸变，但是即便如此，谐波分量仍然符合IEC 1000-3-2 Class D标准。电压环控制输出电压，根据负载大小，电压环中的补偿器在管脚VCOMP上建立合适的电压值以控制平均输入电流的幅值。ICE1PCS01控制芯片具有多项保护功能以保护系统和芯片处于安全工作状态，如开环保护、输出过压保护、交流电源欠压保护、IC工作电源欠压保护、峰值电流限幅及软过流限幅保护等。

4.1 IC电源欠压保护

ICE1PCS01芯片内部具有一个欠压锁定模块（UVLO）时刻监测引脚VCC处的工作电源，一旦该管脚处的电压超过11.2V而且VSENSE管脚处的电压大于0.8V，ICE1PCS01芯片开始工作，输出驱动脉冲并且实现软启动功能，其工作情况如图3所示。一旦VCC的电压值低于10.5V，ICE1PCS01芯片便关断。另外可以通过降低引脚6（VSENSE）上的电压低于0.8V而使芯片处于关断状态和等待状态，此时电流消耗仅为3mA。

图3 不同VCC值时的工作状态

4.2 独特的软启动功能

软启动过程中，5脚VCOMP上的电压以及输入电流的幅值线性上升，当输出电压达到额定的80 %（对应着6脚VSENSE电压为4V）时，进入正常工作模式。启动过程中输入电流波形如图4所示。与一般的软启动系统相比，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，因而保护升压二极管不会受到因高占空比形成的大电流的冲击。

图4 软启动过程中输入电流的波形

4.3 系统保护功能

为了提高系统的可靠性，ICE1PCS01芯片提供了多种保护功能，如图5所示。

图5 依据ISENSE电压时的BOP、SOC和PCL保护功能

(1) 输入欠压保护（BOP）

当输入电压Vin跌至设计输入最小值（如通常设计时所取的最小值85V），对应3脚（ISENSE）电压低于-0.6V，而芯片电源Vcc还未跌至欠压锁定电压UCCUVLO时，为避免在一定输出功率下BOOST变换器母线产生超出设计范围的高电流，输入欠压保护动作。如果一个系统没有设计输入欠压保护（BOP），那么在一定输出功率下该boost变换器将持续从网侧吸收高电流，从而超过输入电流的最大设计值。

(2) 软过流限幅( SOC)

当电感电流进一步升高，使得3脚（ISENSE）电压VISENSE低于-0.73 V时，此时软过流限幅开始动作，它并不像峰值电流限幅（PCL）那样直接关断开关管，而是通过非线性增益模块来减小PWM的占空比，从而限制电流的幅值。

(3) 峰值电流限制幅（PCL）

ICE1PCS01芯片提供了单周峰值电流限幅（PCL）保护功能，当3脚（ISENSE）电压VISENSE进一步降低，低于-1.08 V时动作，直接关断开关管。

(4) 开环保护（OLP）

当输出电压跌至额定的16 %，或者对应6脚VSENSE电压跌至0.8V时，认为系统处于开环状态（例如VSENSE脚未接上的情况）或者正常工作时输入电压不足，此时，芯片绝大多数模块关闭。

(5) 输出欠压保护（OUV）

当电网断开或者输入欠压时，PFC变换器将不能提供额定的输出功率，从而导致输出电压低于额定值，ICE1PCS01芯片提供了输出欠压保护功能，一旦芯片检测到输出电压降至额定的50％时，该模块动作，和开环保护（OLP）类似，芯片将停止工作。

(6) 输出过压保护（OVP）

当输出电压超出额定的5%，对应着VSENSE电压大于5.25 V时，芯片跳过电压控制环运算放大器快速减小占空比，使电压在一个短时间内恢复到正常值。

4.4 PWM调制原理

当电压环工作，输出电压恒定时，CCM BOOST PFC电路开关管关断占空比为：，DOFF是正比于VIN的。而电流环调整电感电流的平均值，使之正比于DOFF，如图6所示，PWM波由斜坡信号与输入电感平均电流比较得到。通过这种前沿调制方式，使平均电流与DOFF成正比。斜坡信号由内部振荡器产生，幅值一方面受到内部控制信号的控制，另一方面却可以影响输入电流的幅值。

PWM信号的产生如图7所示，每一个脉冲周期开始就存在着一个死区时间TOFFMIN（典型值为250ns），在这个死区时间内，PWM信号为低电平，开关管为关断状态，TOFFMIN结束以后，斜坡信号VRAMP才开始上升，在VRAMP上升至与输入平均电流信号交点时，PWM信号电平开始为高，开关管开始导通，直至本周期结束。

图6 CCM模式下的平均电流控制 图7 PWM信号产生波形

4.5 增强的动态响应

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2fL的纹波响应，fL为交流电源频率。所以当负载突变时，调整电路不能做出快速响应，从而引起输出电压起落过大。该芯片中，一旦输出电压超出正常值的5 %，芯片将跳过慢补偿运算放大器，直接作用于内部非线性增益模块而影响占空比，使输出电压能够在一个短时间内回复到正常值。

5 典型应用

采用ICE1PCS01作为BOOST功率因数变换器的控制芯片的典型应用电路图如图8所示。

图8 ICE1PCS01典型应用电路图