高功率因数控制器TDA4862/63及其应用

1. 引言

　　TDA4862是德国西门子公司（Simens AG）推出的高功率因数控制器，TDA4863是TDA4862的增强版本。1999年4月德国英飞凌技术公司（Infineon Technologies AG）作为德国西门子公司的全资子公司在德国慕尼黑成立，西门子公司所有的半导体业务全部转入英飞凌技术公司。现在，英飞凌技术公司已跻身全球十大半导体生产商的行列。TDA4862和TDA4863现由英飞凌技术公司生产。
　　下面对TDA4862和TDA4863高功率因数控制器的特点、引脚功能、电气参数、工作原理以及典型应用进行介绍。

2. 特点和引脚说明

2.1 特点

　　为便于比较，现将TDA4862和TDA4863的特点列于表1。

2.2 引脚说明

　　TDA4862和TDA4863均采用PDIP-8和PDSO-8两种封装形式。本文主要介绍PDIP-8引脚封装，其引脚排列如图1所示。

　　TDA4862和TDA4863的引脚功能简介如下：
　　·VSENSE（引脚1）：电压放大器反相输入端。该端通过电阻分压器与升压变换器输出端相连。引脚2通过反馈电容与该端相连，构成反馈补偿网络；
　　·VAOUT（引脚2）：电压放大器输出端。该端在控制器内部与乘法器的一个输入端相连。为避免输入电压发生过冲，该端内接5V箝位电路。当输入电压低于2.2V时，驱动输出电路将被禁止。如果流入该端的电流超出了阈值，乘法器的输出信号将下降，以防止升压功率MOSFET因过压故障而损坏。
　　·MULTIN（引脚3）：乘法器的另一个输入端。该端通过电阻分压器与全波整流输出电压相连。
　　·ISENSE（引脚4）：电流检测信号输入端。该端在控制器内部与电流检测比较器的反相输入端相连，通过外接检测电阻实现对升压功率MOSFET源极电流的控制。为了避免负输入电压对控制器产生影响，该端被内部箝位于-0.3V。另外，为了抑制升压功率MOSFET开通引入的电压尖峰，TDA4862的电流检测信号输入端内接低通滤波网络，而TDA4863则增加了上升沿消隐电路。
　　·DETIN（引脚5）：零电流检测器输入端。该端通过升压电感辅助绕组实现电感电流的过零监测。
　　·GND（引脚6）：信号地。VCC与该端之间应接入旁路电容。
　　·GTDRV（引脚7）：驱动输出端。该端是大电流图腾柱式驱动电路的输出端，内接箝位网络，可直接驱动功率MOSFET。TDA4863内部增加了有源箝位电路，以确保该端输出信号在控制器停止工作后保持低电平。
　　·VCC（引脚8）：偏置电源接入端。为了吸收电流尖峰，该端应外接滤波电容。

2.3 额定参数

　　为便于比较，现将TDA4862和TDA4863的额定参数列于表2。

[p] 2.4 主要电气参数

　　为便于比较，现将TDA4862和TDA4863的主要电气参数列于表3。
表3 TDA4862和TDA4863主要电气参数对照表





注意： （1）如不特别注明，测试条件均为：-40℃≤TA≤150℃；VCC＝12V（TDA4862）， VCC＝14.5V（TDA4863）

3. 工作原理

　　TDA4862和TDA4863内部都集成有精密微调基准电源、宽带电压放大器、过压调节器、单象限乘法器、电流检测比较器、零电流检测器、PWM锁存器、重启动定时器、大电流图腾柱式输出电路以及欠压锁定电路，其原理框图分别如图2和图3所示。
　　1. 电压放大器
　　TDA4862中的电压放大器的增益带宽为0.8MHz，相位裕量达到80°。电压放大器非反相输入端作为基准信号输入端，被内部箝位于2.5V，而其反相输入端则通过电阻分压器与前置变换器的输出端相连，实现对输出电压的检测。电压放大器的输出端与反相输入端之间外接一只电容，构成反馈积分网络。反馈网络的带宽一般应低于20Hz，这样可以有效抑制输入整流电压纹波中的二次谐波。为了输出电压保持稳定，电压放大器的输出信号直接输入乘法器，以获取电流检测比较器的编程信号。
　　TDA4863中的电压放大器的增益带宽提高到了3MHz，同时增加了禁止电路。当TDA4863引脚1上的电压低于0.2V，或引脚2上的电压低于2.2V时，驱动输出电路被禁止。
　　2. 过压调节器
　　电压放大器的反馈积分网络对输出电压的突变不起作用。输出电压突变的情况通常发生在系统启动、掉载或输出端弧光放电时，上述情况会在电压放大器的输入端上引入电流尖峰，而与此同时电压放大器的差动输入电压仍保持为零。于是，电流尖峰信号通过反馈电容流入电压放大器的输出端，从而引起乘法器输出信号的下降。
　　3. 乘法器
乘法器是控制器中的核心元件。乘法器根据直流输出电压和交流正弦半波输入电压对驱动输出电路进行控制。乘法器两个输入端的动态范围的线性度都非常的好，其中MULTIN（引脚3）为0V~4V，而电压放大器输出端（引脚2）则为2.5V~4V。乘法器的输出信号被箝位于1.3V，这样可以有效防止升压功率MOSFET在系统启动时工作在临界状态。
　　4. 电流检测比较器和RS锁存器
乘法器的输出信号与电流检测信号相比较，得到驱动输出电路的编程控制信号。为了保证在给定的周期内驱动输出端上只有一个驱动脉冲信号，控制器内部增加了RS锁存器。乘法器的输出信号和电流检测阈值都被箝位于1.3V，这样可以有效防止升压功率MOSFET在系统启动时工作在临界状态。另外，为了防止输入负脉冲信号，控制器内部增加了一个电流源。当引脚4上的电位低于地电位时，该电流源将向引脚4提供灌电流。同时，控制器内部集成的RC滤波网络能够有效减小开通峰值电流。
　　TDA4863内部增加了上升沿消隐电路，该电路使升压功率MOSFET的开通电流峰值信号被延迟一段时间，其典型值通常为200ns。

[p] 5. 零电流检测器

　　零电流检测器通过升压电感上的辅助绕组实现对电感电流的监测，在电感电流过零时，进入下一个导通周期，这样升压二极管的反向恢复损耗将大大降低。当分压电阻上的电压达到乘法器输出阈值时，升压功率MOSFET被关断。因此，升压电流波形是连续的三角波，波形之间没有死区间隔。这样，由于交流输入线电流连续，峰值开关电流就被限制为平均输入电流的两倍。为防止误触发，零电流检测器采用了施密特触发器结构，TDA4862中零电流检测器的滞回电压为0.6V，而TDA4862中零电流检测器的滞回电压则为0.5V，。内置5V箝位电路可以对零电流检测器输入端提供过压保护，内置0.6V箝位电路则能够有效防止基地注入。另外，辅助绕组上必须串接限流电阻，以免箝位电路因过流而损坏。

　　6. 重启动定时器
　　　 如果电感电流到达零点后150μs后，驱动输出端仍然处于关断状态，重启动定时器将使控制器重新启动。由于控制器内部集成了重启动定时器，因此无需振荡器。
　　7. 欠压锁定电路
　　　 当VCC（引脚8）上的电压超过上限阈值时，欠压锁定电路将激活驱动输出电路。当VCC（引脚8）上的电压低于下限阈值时，欠压锁定电路将使驱动输出电路关断。在待机模式下，TDA4862的偏置电流的典型值为75μA，TDA4863的偏置电流则低于100μA。为防止控制器因过压而损坏，VCC上增加了内置接地箝位电路。启动电流由外接启动电阻和储能电容提供。
　　8. 驱动输出电路
　　　 TDA4862和TDA4863内置的图腾柱式驱动输出电路能够直接驱动功率MOSFET。当控制器处于待机状态时，控制器内部的保护电路被激活，确保升压功率MOSFET可靠关断。TDA4862和TDA4863的驱动输出电路针对高速工作状态进行了优化，最大限度地减小了通态重叠电流。另外，与灌电流输出晶体管和拉电流输出晶体管串接的两只4Ω电阻，也能有效降低通态重叠电流。

4．典型应用

　　（1）采用TDA4862控制的110W宽限输入功率因数前置变换器的电路原理图如图4所示。
　　（2）采用TDA4863控制的70W电子镇流器中功率因数前置变换器的电路原理图如图5所示。