新型CCM PFC控制器ICE1PCS01及其應(yīng)用

注：如無特殊說明，測試條件均為：，VCC=15V。

4 功能描述

ICE1PCS01控制芯片專門為功率因數(shù)變換器設(shè)計，支持85VAC-265VAC的寬電壓輸入范圍，適用于BOOST拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)PFC電路，采用平均電流控制模式，工作于連續(xù)電流導(dǎo)通模式(CCM)。該芯片具有雙環(huán)調(diào)節(jié)功能：內(nèi)環(huán)電流環(huán)和外環(huán)電壓環(huán)。在CCM工作模式下電流環(huán)控制平均電流跟蹤輸入電壓呈現(xiàn)正弦波，在輕載和一定電感值條件下，系統(tǒng)可能會進(jìn)入斷續(xù)電流導(dǎo)通模式(DCM)，此時平均電流波形會有一定程度的畸變，但是即便如此，諧波分量仍然符合IEC 1000-3-2 Class D標(biāo)準(zhǔn)。電壓環(huán)控制輸出電壓，根據(jù)負(fù)載大小，電壓環(huán)中的補償器在管腳VCOMP上建立合適的電壓值以控制平均輸入電流的幅值。ICE1PCS01控制芯片具有多項保護(hù)功能以保護(hù)系統(tǒng)和芯片處于安全工作狀態(tài)，如開環(huán)保護(hù)、輸出過壓保護(hù)、交流電源欠壓保護(hù)、IC工作電源欠壓保護(hù)、峰值電流限幅及軟過流限幅保護(hù)等。

4.1 IC電源欠壓保護(hù)

ICE1PCS01芯片內(nèi)部具有一個欠壓鎖定模塊（UVLO）時刻監(jiān)測引腳VCC處的工作電源，一旦該管腳處的電壓超過11.2V而且VSENSE管腳處的電壓大于0.8V，ICE1PCS01芯片開始工作，輸出驅(qū)動脈沖并且實現(xiàn)軟啟動功能，其工作情況如圖3所示。一旦VCC的電壓值低于10.5V，ICE1PCS01芯片便關(guān)斷。另外可以通過降低引腳6（VSENSE）上的電壓低于0.8V而使芯片處于關(guān)斷狀態(tài)和等待狀態(tài)，此時電流消耗僅為3mA。

圖3 不同VCC值時的工作狀態(tài)

4.2 獨特的軟啟動功能

軟啟動過程中，5腳VCOMP上的電壓以及輸入電流的幅值線性上升，當(dāng)輸出電壓達(dá)到額定的80 %（對應(yīng)著6腳VSENSE電壓為4V）時，進(jìn)入正常工作模式。啟動過程中輸入電流波形如圖4所示。與一般的軟啟動系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)僅控制占空比，輸入電流保持正弦，不激活峰值電流限幅，因而保護(hù)升壓二極管不會受到因高占空比形成的大電流的沖擊。

圖4 軟啟動過程中輸入電流的波形

4.3 系統(tǒng)保護(hù)功能

為了提高系統(tǒng)的可靠性，ICE1PCS01芯片提供了多種保護(hù)功能，如圖5所示。

圖5 依據(jù)ISENSE電壓時的BOP、SOC和PCL保護(hù)功能

(1) 輸入欠壓保護(hù)（BOP）

當(dāng)輸入電壓Vin跌至設(shè)計輸入最小值（如通常設(shè)計時所取的最小值85V），對應(yīng)3腳（ISENSE）電壓低于-0.6V，而芯片電源Vcc還未跌至欠壓鎖定電壓UCCUVLO時，為避免在一定輸出功率下BOOST變換器母線產(chǎn)生超出設(shè)計范圍的高電流，輸入欠壓保護(hù)動作。如果一個系統(tǒng)沒有設(shè)計輸入欠壓保護(hù)（BOP），那么在一定輸出功率下該boost變換器將持續(xù)從網(wǎng)側(cè)吸收高電流，從而超過輸入電流的最大設(shè)計值。

(2) 軟過流限幅( SOC)

當(dāng)電感電流進(jìn)一步升高，使得3腳（ISENSE）電壓VISENSE低于-0.73 V時，此時軟過流限幅開始動作，它并不像峰值電流限幅（PCL）那樣直接關(guān)斷開關(guān)管，而是通過非線性增益模塊來減小PWM的占空比，從而限制電流的幅值。

(3) 峰值電流限制幅（PCL）

ICE1PCS01芯片提供了單周峰值電流限幅（PCL）保護(hù)功能，當(dāng)3腳（ISENSE）電壓VISENSE進(jìn)一步降低，低于-1.08 V時動作，直接關(guān)斷開關(guān)管。

(4) 開環(huán)保護(hù)（OLP）

當(dāng)輸出電壓跌至額定的16 %，或者對應(yīng)6腳VSENSE電壓跌至0.8V時，認(rèn)為系統(tǒng)處于開環(huán)狀態(tài)（例如VSENSE腳未接上的情況）或者正常工作時輸入電壓不足，此時，芯片絕大多數(shù)模塊關(guān)閉。

(5) 輸出欠壓保護(hù)（OUV）

當(dāng)電網(wǎng)斷開或者輸入欠壓時，PFC變換器將不能提供額定的輸出功率，從而導(dǎo)致輸出電壓低于額定值，ICE1PCS01芯片提供了輸出欠壓保護(hù)功能，一旦芯片檢測到輸出電壓降至額定的50％時，該模塊動作，和開環(huán)保護(hù)（OLP）類似，芯片將停止工作。

(6) 輸出過壓保護(hù)（OVP）

當(dāng)輸出電壓超出額定的5%，對應(yīng)著VSENSE電壓大于5.25 V時，芯片跳過電壓控制環(huán)運算放大器快速減小占空比，使電壓在一個短時間內(nèi)恢復(fù)到正常值。

4.4 PWM調(diào)制原理

當(dāng)電壓環(huán)工作，輸出電壓恒定時，CCM BOOST PFC電路開關(guān)管關(guān)斷占空比為：，DOFF是正比于VIN的。而電流環(huán)調(diào)整電感電流的平均值，使之正比于DOFF，如圖6所示，PWM波由斜坡信號與輸入電感平均電流比較得到。通過這種前沿調(diào)制方式，使平均電流與DOFF成正比。斜坡信號由內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生，幅值一方面受到內(nèi)部控制信號的控制，另一方面卻可以影響輸入電流的幅值。

PWM信號的產(chǎn)生如圖7所示，每一個脈沖周期開始就存在著一個死區(qū)時間TOFFMIN（典型值為250ns），在這個死區(qū)時間內(nèi)，PWM信號為低電平，開關(guān)管為關(guān)斷狀態(tài)，TOFFMIN結(jié)束以后，斜坡信號VRAMP才開始上升，在VRAMP上升至與輸入平均電流信號交點時，PWM信號電平開始為高，開關(guān)管開始導(dǎo)通，直至本周期結(jié)束。

圖6 CCM模式下的平均電流控制 圖7 PWM信號產(chǎn)生波形

4.5 增強(qiáng)的動態(tài)響應(yīng)

由于PFC的固有屬性，PFC動態(tài)環(huán)路總是用低帶寬進(jìn)行補償，目的是不對頻率為2fL的紋波響應(yīng)，fL為交流電源頻率。所以當(dāng)負(fù)載突變時，調(diào)整電路不能做出快速響應(yīng)，從而引起輸出電壓起落過大。該芯片中，一旦輸出電壓超出正常值的5 %，芯片將跳過慢補償運算放大器，直接作用于內(nèi)部非線性增益模塊而影響占空比，使輸出電壓能夠在一個短時間內(nèi)回復(fù)到正常值。

5 典型應(yīng)用

采用ICE1PCS01作為BOOST功率因數(shù)變換器的控制芯片的典型應(yīng)用電路圖如圖8所示。

圖8 ICE1PCS01典型應(yīng)用電路圖