PFC控制器芯片內(nèi)部剖析

pfc控制器的架構(gòu)

盡管有許多公司在生產(chǎn)不同類(lèi)型的pfc (power factor correction，pfc)控制器，這些芯片的架構(gòu)和結(jié)構(gòu)卻極為類(lèi)似。大多數(shù)pfc控制器都采用增益調(diào)制器、電流誤差放大器 (iea)、pfc比較器、電壓誤差放大器 (vea) 和pfc脈沖輸出驅(qū)動(dòng)器。圖1是pfc控制器的模塊示意圖。

內(nèi)環(huán)是電流控制回路，包含了增益調(diào)制器、iea和pfc比較器。外環(huán)控制回路是電壓控制回路，利用vea作為誤差放大器。vea輸出 (veao) 也是增益調(diào)制器的輸入之一。內(nèi)環(huán)電流控制回路修整來(lái)自交流線路的線電流，并與交流線電壓成正比。外環(huán)電壓回路調(diào)節(jié)pfc直流總線電壓，使之保持在大約385v左右。需注意的是，與電壓控制回路相比，電流控制回路的帶寬要大得多。

pfc控制器的pfc比較器 驅(qū)動(dòng)器部分在圖1中以虛線標(biāo)注，其設(shè)計(jì)圍繞pfc比較器。振蕩器產(chǎn)生鋸齒波形及與該鋸齒波形下降邊緣同步的時(shí)鐘 (clk) 信號(hào)。圖1所見(jiàn)的鋸齒波形被稱(chēng)為“pfc_ramp”信號(hào)，也即ramp1。

如圖1所示，在周期開(kāi)始處，clk信號(hào)為高時(shí)，pfc_out為低。一旦pfc_ramp超過(guò)電流誤差放大器的輸出 (ieao) 值，pfc_out就變高，最終接通外部pfc開(kāi)關(guān)管。pfc_out一直保持高電平直到周期結(jié)束，clk會(huì)將它設(shè)為低電平。因此，pfc能實(shí)現(xiàn)尖端的調(diào)節(jié)功能。

對(duì)設(shè)計(jì)人員而言，設(shè)置正確的電流誤差放大器輸出值是非常重要的。例如，fan4810規(guī)格定義ramp1谷對(duì)峰電壓為2.5v。這意味著通過(guò)調(diào)節(jié)，ieao電壓的動(dòng)態(tài)范圍應(yīng)該在ramp1信號(hào)擺幅內(nèi)，如圖3所示的線跡ch1和ch4。

pfc控制器的中部心分是增益調(diào)制器和電壓誤差放大器，如圖1所示。該增益調(diào)制器會(huì)生成控制信號(hào)給電流控制回路，讓后者對(duì)這個(gè)輸入電流進(jìn)行修整。fan4810 pfc控制器的電流控制回路確保電流傳感器的負(fù)反饋電壓被內(nèi)部rcp電阻上的正電壓所平衡。這一正電壓由流經(jīng)rcp的增益調(diào)制器輸出電流所生成。因此，所產(chǎn)生的線電流 (i_line) 和 isense 引腳上的電壓被迫重復(fù)增益調(diào)制器輸出波形的形狀。換言之，這個(gè)情況：

i_line r_{s}=i_{gm} r_{cp} (1)

會(huì)常常出現(xiàn)。這里，rs代表線電感電阻 (line current sense resistor)，而igm是增益調(diào)制器的輸出電流。

i_{gm}=frac{i_{vc} v_{rao}}{v_{rms}^{2}} (2)

在vrms引腳的電壓是與ac線電壓rms值成正比的dc電壓，如圖6所示。igm 的設(shè)計(jì)與vrms平方成反比。

為什么增益調(diào)制器的輸出電流必須與ac線電壓rms 值的平方成反比呢？假設(shè)veao恒定不變，如果輸入線電壓加倍，為提供相同的功率，那么輸入電流及igm就應(yīng)相應(yīng)減小一半。由式 (2) 可知，若線電壓加倍，iac也會(huì)加倍。因此要抵消iac 的增大，vrms信號(hào)便應(yīng)增加4倍。

vea帶寬和thd

增益調(diào)制器的第三個(gè)輸入是vea輸出，會(huì)決定增益調(diào)制器輸出電流的幅值。vea的輸入與監(jiān)測(cè)pfc輸出電壓的分壓器相連接 (圖6)。在fan4810的例子中，fb引腳在額定總線電壓 (nominal bus voltage) 時(shí)被設(shè)置為2.5v。vea是帶類(lèi)2補(bǔ)償電路的跨導(dǎo)放大器，如圖1所示。要關(guān)閉vea的反饋回路，有兩個(gè)相互矛盾的要求：1) 回路應(yīng)具有足夠低的帶寬來(lái)緩減dc總線上的120hz 紋波電壓，從而減小輸入線電流的總諧波失真 (total harmonic distortion，thd)；2) 回路必須足夠快的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。

thd是設(shè)計(jì)人員考慮的重要因素。由于輸出電容的移相特性，大容量電容的電壓紋波相位與線電壓相比時(shí) (見(jiàn)圖3中的ch 3) 位移了90度。因此與位移的電壓紋波成正比的信號(hào)直接輸入到vea，放大器的增益和帶寬應(yīng)該受到限制。通常，電壓控制回路分頻頻率設(shè)置在10 ～30hz之間。

增益調(diào)制器有兩個(gè)有趣的特性很少被提及。首先，轉(zhuǎn)移特性提供了自然的電壓過(guò)低保護(hù) (brown out protection)。增益調(diào)制器的最大增益被設(shè)計(jì)在最小線電壓處。若輸入電壓恰巧低于規(guī)定的最小值 (電力減弱情況)，那么增益和pfc負(fù)載周期都會(huì)急劇下降，因而降低總線電壓。第二個(gè)有趣的特性是內(nèi)置過(guò)電流保護(hù)功能。增益調(diào)制器的最大輸出電壓會(huì)被限制，在fan4810中為0.8v。如果因?yàn)槿魏卧?，例如由于過(guò)載，isense 引腳上的電壓下降到低于 0.8v，iea的反相輸入對(duì)地負(fù)值將會(huì)更大。因此，ieao水平將增加，這會(huì)降低pfc負(fù)載周期和總線電壓，從而限制輸出功率 (見(jiàn)圖1)。

pfc保護(hù)電路

如同其他控制器一樣，fan4810包括了大量與pfc工作相關(guān)的保護(hù)電路。其中有過(guò)電壓保護(hù) (over-voltage protection，ovp) 和過(guò)電流保護(hù) (over-current protection，ocp) (見(jiàn)圖5)。利用由pfc ovp或電流限值設(shè)置的sr觸發(fā)來(lái)終止pfc輸出脈沖。所以，ovp和ocp故障會(huì)在每一個(gè)周期中被監(jiān)測(cè)及閂鎖。

飛兆半導(dǎo)體器件具有“三重故障 (tri-fault)”保護(hù)功能。這種保護(hù)可覆蓋以下故障：(a) fb引腳對(duì)地短路，(b) 從pfc dc總線分壓器到芯片的vfb引腳的連線 (引線或pcb走線) 斷裂，(c) 分壓器的頂端或底部電阻開(kāi)路 (圖6中的電阻r1、r2)。如果fb對(duì)地短路 (情況(a))，pfc_fb引腳上的電壓將低于0.5v，tri-fault 比較器輸出將停頓pfc out脈沖。在引線斷裂(情況(b)) ，內(nèi)部電流源開(kāi)始對(duì)電容ctf充電。于是，一旦fb引腳上的電壓超過(guò)2.75v，ovp比較器將終止pfc輸出。電容ctf (圖6中的c2) 是可選的選項(xiàng)，定義時(shí)間t_f 來(lái)觸發(fā)保護(hù)電路。

t_f=frac{ctf 2.75v}{200na}

對(duì)于 (c) 的故障情況，ovp或tri_fault將終止pfc_out脈沖。如果因任何原因dc總線電壓超過(guò)額定水平的10%，ovp保護(hù)開(kāi)始起作用。例如，若額定總線電壓為385vdc (fb引腳為2.5v)，只要總線電壓超過(guò)423vdc (fb引腳為2.75v)，ovp就會(huì)被觸發(fā)。

小結(jié)

pfc控制器集成了諸如過(guò)電壓保護(hù) (ovp)、過(guò)電流保護(hù) (ocp) 及fan4810示例中的三重故障 (trifault) 保護(hù)等功能，在ac/dc設(shè)計(jì)中起著重要的作用。帶有有源pfc及接近統(tǒng)一功率因子的轉(zhuǎn)換器能滿足ice61000-3-2 規(guī)范的要求，減少了電源設(shè)計(jì)者的一個(gè)主要顧慮。