新型控制器IC增强转移式PFC预稳压器的性能，降低系统成本

本文介绍一个新型转移工作模式功率因数校正(PFC)预稳压器控制器IC，新IC基于一个标准的TM PFC(转移式功率因数校正器)内核，通过增加几个无源器件新增多个辅助功能，而这些功能通常需要增加复杂电路才能实现。本文对这些功能进行了详细的介绍，并辅以大量的实例加说明。
有源功率因数校正是今天的开关电源(SMPS)应用中的一种常见功能，特别是用于抑制公共供电系统中的谐波电流的稳压应用，例如欧洲的EN61000-3-2和日本的EIDA-MITI标准。

：双级有源式功率因数校正
开关电源的典型框图。图中标出部分是
两个控制级的互动过程。
有源功率因数校正SMPS的典型结构是由两个串联级组成：级是一个PFC预稳压器，实际上它是一个升压转换器，负责调整交流电源电压，然后形成一个稳压的中间直流总线；第二级则是一个串联的直流-直流转换器，中间直流总线为其供电，输出形成开关电源输出轨，还可以提供安全标准要求的隔离功能。所示是带有交流直流适配器的一种特殊情况，串联的直流-直流转换级是一个单输出的逆向转换器。
电路中每都由一个控制器IC控制，控制器具有在指定工作条件下正确控制功率通量(power flow)所需的功能，以及某些处理异常工作条件所需的安全保护功能。不过，如所示，这两级控制器并不只是按顺序处理功率，而且还以某种方式“对话”，两个控制器IC之间的双向通信是一个重要功能：通断顺序、无负载和错误处理需要两级协调完成。
因此，在大多数开关电源设计中，建立这种通信机制并让两个控制芯片能够协调工作，通常需要由电压参考电路、功率放大器和比较器(或者齐纳二极管和小信号双极晶体管，具体情况视特殊应用的需求和价值)组成的附加电路。在这个方面，市面上见到的PFC控制器IC几乎不具备任何简化这种通信任务的功能，因为它们只是为控制预稳压器设计的单级控制器。

：输入电压前馈功能的内部框图
除此之外，还有一点值得一提，即便小功率应用也对开关电源的动静态性能提出了严格的要求，例如，高端笔记本电脑的交流直流适配器要想解决散热问题就必须限度地提高效率，而散热问题受到“零到”和“到零”的递变负载的影响。
出于这些考虑，意法半导体新开发出一个14引脚的转换模式(Transition-mode, TM)PFC预稳压器控制芯片L6563，这个芯片专用于开关电源，基于一个标准器件的控制内核，包括典型的功能模块，如乘法器、参考电压电路、错误放大器、零电流检测器等。此外，它还有多种其它功能，这些功能可以提高预稳压器性能和安全性，简化前文提到的用于协调预稳压器和串联直流-直流转换器之间的通信操作的胶合逻辑(glue logic)电路。
作为一个转换模式控制器，L6563适合功率高达250-300W(这个限制总是引起争议，因为它的评估主观性过高)的系统，这个器件还能配合“固定关断时间”控制器[2]，获取连续的感应电流，从而将其应用扩展到更大功率(500W以上)。因此，L6563的目标应用包括高端交流-直流适配器、ATX电源、入门级服务器、等离子电视和液晶电视。
器件概述
L6563与L6561和L6562标准器件相比新增加了一些功能，这些功能基本上可以分为三部分：
1. 增强PFC预稳压器性能的功能(电压前馈、跟踪升压、感应电流前缘消隐)；
2. 增强预稳压器安全性的功能(反馈故障检测、电感器饱和检测、欠压保护)；

：跟踪升压功能内部框图。
3. 内务管理功能：用于改进预稳压器与串联直流-直流转换器之间的互动性能(开关遥控、PWM控制器闭锁和非闭锁抑制)。
下面的章节将详细讨论这些功能，并通过对比新IC与采用上文提到的标准器件制造的分立控制器，加强读者对新IC的简化电路和降低成本的优点的理解。
在开始讨论之前，值得一提的是某些电参数得到了改进，其中引人注意的是：
1. 因为处理功率提高，电流感应引脚上的动态性能被降低大约36%，从而为使用阻值较低的电流感应电阻和降低相关功耗提供了可能。
2. 过压保护解扣电流(tripping current)[1]被降低一半，因此，对于同一过压值，设置输出电压的分压器的电阻值可能会提高一倍。解扣电流的降低使分压器功耗降低一半，这对于交流-直流适配器特别重要，因为这种应用对无负载输入功耗有严格的要求，因而连接高压线路的电阻器产生的虚损耗(dummy loss)必须化。
输入电压前馈功能
输入电压前馈功能常见于某些用于大功率应用的PFC控制器芯片(升压电感器工作于固定频率下的连续导通模式)，L6563首次将这个功能集成到转移模式的PFC控制器芯片内。此外，通过在回路内适当注入均方根(RMS)输入电压的信息以消除系统增益对输入电压的依赖性[3]。这个功能带来很多好处，如提高了宽压电源应用的动态特性，降低了线路电流的失真度，显著的优点是，相对线路电压的功率容量得到化，而且恒定不变。
L6563只用两个外部器件就实现了这个性能，而且所采用的技术对线路浪涌电压具有优异的抑制能力。如所示，在接地与VFF引脚之间连接一个电阻RFF和一个电容CFF，构成一个完整的内部峰值电压保持电路。这个电路给VFF引脚提供一个直流电压，电压值等于施加在乘法器输入引脚MULT上的调整后的正弦波峰压(无需另增加输入电压感应器件)，因此是典型的交流电源RMS电压。
如果线路电压突然升高，电容CFF将通过低阻抗的内部二极管快速充电。但是，可测量的过冲在预稳压器输出端并不明显；如果线路电压突然降低，电容CFF将开始放电，时间常数为RFF*CFF，只需几十毫秒就可达到可接受的稳态纹波和低电流失真度状态。因此，输出电压可能会经历下冲过程，像在没有前馈补偿的系统中一样。
跟踪升压功能

：利用L6561/2实现的跟踪升压功能
外部器件：a)线性；b)双值设置。
L6563的工作方式或者是常规的输出电压固定，或者是“跟踪升压”即所谓的“升压追随”方式， 调整后的输出电压自动变化，以跟踪ＲＭＳ线路电压[4]。这种方法有助于在低交流电压时提高升压效率，同时还允许使用更小的电感器。
这个功能需要配合输入电压前馈功能，与市场现有的解决方案相比，其产品性能不受输出负载的影响、公差更小、灵活性更高，只需一个外部电阻RT(见)。
从中不难看出这个功能的工作原理，只有VFF引脚提供的输入电压的信息能够改变输入电压的设置点。度很好，因为内部温度补偿1:1镜像的公差很小，而且只涉及电阻器(很容易达到1%的)。具有化的灵活性：交流电压与PFC输出电压之间可能获得一种线性关系。
Vout=p+q*Vinrms
通过选择适当的RT和输出分压比，用户就可以对常数p和q进行编程设置。
如果交流电源电压超过规定值，为了防止输出电压上升，电路内部限制TBO引脚上的电压，如所示。通过适当选择乘法器的偏压(中电阻RA和RB)，可以设置输入电压，在这个电压之上，输入到输出跟踪功能终止，输出电压恒定不变。
所示是两个采用L6561/2和外部分立器件组成的电路。电路a像L6563一样，从输入到输出建立一个线性关系；电路b调整两种交流电源电压中的一种，具体哪一种取决于使用的是美国电源还是欧洲电源。转换阈值电压应位于两种电源范围之间的“真空地带”，两种都需要很多外部元器件(需要增加一个分压器，以检测调整后的电源电压，但增加了无负载功耗)，更重要的是降低了度。对于电路a)，设置点调整电流取决于未经过调整的Vcc；在电路b中，齐纳二极管和MOSFET管的公差以及他们的温度偏移可能会在其中一个范围内产生转换阈值电压，从而引起不希望的输出电压的切换。
电流感应前缘消隐
在一个固定的时间内，用数字方式消隐PWM比较器的感应电流输入，使之检测不到电路寄生效应产生的前缘尖峰，其性能优于L6561/2使用的RC平滑滤波器。

：反馈断开检测：a)利用L6563实现的电路；
b)利用L6561/2实现的电路(无闭锁)。
即使在低负载时，升压转换器也能保证正常工作，并且没有RC时间常数引起的额外时延。在高电源电压应用中，如果过载，时延会对输出功率产生负面影响。
反馈失效检测(FFD)功能
标准保护功能用于处理负载/线路突然变化或在开机时引起的过压现象([1])，除这些标准保护功能外，L6563还包括一个输出电压监视系统，它能够防止反馈回路失效、长期退化或错误设置以及自身保护功能失效。如所示，L6563有一个PFC_OK引脚专门提供附加的输出电压监测功能，这个引脚在内部将前文提到的比较器连接到一个基准电压，这个基准电压能够跟踪输出电压设置所用的参考电压。应精心挑选这个监视分压器，确保当输出电压超过预设值时引脚上的电压能够达到基准电压，预设电压通常高于期望的电压，还包括的公差以及负载/线路瞬压。
当这个功能激活时，只要IC的电源电压Vcc高于UVLO阈值电压，这个器件就会闭锁。如果需要，还可以关断串联的直流-直流转换器的PWM控制器IC，这样整个单元都被闭锁(见内务管理功能部分)；重新启动L6563，必须重新施加输入功率，这样C的Vcc电压就会低于UVLO阈值电压。
b所示可能是简单的外部电路，因为齐纳二极管和MOSFET管的阈值电压公差的原因，这个单元的不高，而且与输出电压设置点不相关，因此需要更大的公差范围。，这个器件没有闭锁或迟滞，因此，这个单元会连续地进行开关操作，在轻负载时，输出电压可能处于十分危险的高电平。
电感器饱和检测功能
升压电感器的硬饱和(hard saturation)现象可能是PFC预稳压器的致命问题：因为电感器电流波形的上升斜率非常大(陡50-100倍)，结果内部传递延迟抑制了控制功能，电感器电流值可能会异常地高，MOSFET可能会在激活区工作，并产生巨大的功耗，在几个开关周期后，可能会引发灾难性故障。如果升压电感器设计不当，或者在过载时，如果输出-输入电压的压差很小，致使升压电感器去磁被抑制，在这两种情况下都会发生硬饱和现象。

：欠压保护功能电路图。
在电流感应引脚上连接第二个比较器，系统可以检测硬饱和现象。乘法器输出动态电压的内部钳位电路通常用于限制这个引脚上的电压，如果电压超过了动态电压的上限，系统就会停机闭锁，以防任何意外破坏。同样，如果需要，还可以关断串联的直流-直流转换器的PWM控制器IC，这样整个单元都被闭锁(见内务管理功能部分)。
欠压检测保护
由于RMS电流过大，电源欠压可能会引起主要的电源部分产生过热，它还可能使PFC预稳压器工作在开环条件下。如果在这种条件下输入电压突然恢复到额定值，由于预稳压器不佳的动态响应特性将十分危险，这就是在欠压时关断预稳压器的原因。
如所示，L6563很容易实现这个功能，RUN引脚在内部连接前文提到的比较器和一个基准电压器件。如果外部电压低于内部基准电压，IC保持关断状态。这个功能很灵活，还可用于其它多种用途。在以PFC为主级的应用中(即PFC比直流-直流转换器先启动)，还可以关断串联直流-直流转换器的PWM控制器IC，这样整个单元都被闭锁。
在中：图a用于普通应用；图b适用于乘法器的偏压和RFF*CFF时间常数分别符合额定的欠压和延迟的情况。
内务管理功能
简化“内务管理”电路是L6563的一个特殊功能，“内务管理”是协调PFC级与串联直流-直流转换器之间操作的必备电路。L6563提供几个执行这个功能的输入输出引脚：RUN、PFC_OK(输入)和PWM_STOP，PWM_LATCH(输出)。
前文已经描述了RUN引脚的工作方式，但必须补充说明的是，如果把它设置成拉低

：具有跟踪升压功能的80W
宽压PFC预稳压器电路示意图。(点击放大图)
Low)，PWM_STOP就会被强制拉低(否则就处于开路状态)，这将会关断串联直流-直流转换器的PWM芯片，充当前文描述的欠压检测功能，或者是逻辑信号提供的遥控关断功能。
PFC_OK引脚是反馈失效检测功能的一部分，如果设为拉低，L6563将被关断。PFC_OK引脚短接地会使保护功能的效率降低，在这种情况下，该功能可以保护IC，另外这个引脚还是一个辅助遥控通断输入，可以充当备用RUN引脚，至于使用哪一个引脚，设计师可以根据在应用中的方便性从中选择一个。注意：PFC_OK与RUN引脚不同的地方是，在拉低设置时，它不能影响PWM_STOP输出引脚的状态。
，PWM_LATCH引脚是一个开路-发射极输出，当PFC正常工作时，该引脚处于开路状态；如果反馈失效检测FFD功能或电感器饱和检测功能中任何一个被激活，以闭锁串联直流-直流转换器的PWM控制器，该引脚将被拉高。
本文小结
所示是一个基于L6563的PFC预稳压器的典型应用示意图，这个设计特别适合交流直流适配器。图中还标出了这个应用对比基于标准IC(L6561/2)的应用新增的功能。
与标准转移模式PFC控制器相比，L6563提供了更多的可以增强目标应用(交流直流适配器、ATX电源、入门级服务器和高端液晶电视)的性能和安全性的功能，只需要很少的外部元器件，这些器件用来进行性能的微调。此外，内务管理功能简化了用于协调PFC预稳压器与串联直流-直流转换器之间工作过程的胶合逻辑电路。因此，对于相同的解决方案，L6563比标准控制器的集成度更高，并大量减少了元器件的总体数量和应用成本。
参考文献
[1] “L6563, Advanced Transition-Mode PFC Controller”, Datasheet, www.st.com
[2] C. Adragna, "Fixed-Off-Time Control of PFC Pre-regulators", 10th European Conference on Power Electronics and Applications, EPE2003, Toulouse, France, paper 382.
[3] L. H. Dixon, "High Power Factor Preregulators for Off-Line Power Supplies" Unitrode Power Supply Design Seminar Manual SEM600, 1988. (Republished in subsequent Manuals)
[4] M. O’ Loughlin, “Advantages Using a Boost-Follower in a Power Factor Corrected (PFC) Pre-Regulator”, www.analogzone.com/pwrtech_070802.pdf
作者：Claudio Adragna
[5]. EN61000-3-2 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/EN61000-3-2_298761.html.
[6]. PFC datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/PFC_1200255.html.
[7]. L6563 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/L6563_1118125.html.
[8]. L6561 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/L6561_443903.html.
[9]. L6562 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/L6562_443898.html.

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