一种新型CCM PFC控制器
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。
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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
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