ccm模式的pfc芯片
新型低成本CCM PFC控制器原理与测试
摘要：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。
参考文献：1. Infineon Technologies: ICE1PCS01 - Standalone Power Factor Correction Controller in Continuous Conduction Mode; Preliminary datasheet; Infineon Technologies; Munich; Germany; Sept. 2002.