PFC控制器芯片内部剖析

PFC控制器芯片内部剖析

飞兆半导体

飞兆半导体设计工程师 Vinit
Jayar应用工程师 Victor Khasiev

PFC控制器的架构

尽管有许多公司在生产不同类型的PFC (Power Factor Correction，PFC)控制器，这些芯片的架构和结构却极为类似。大多数PFC控制器都采用增益调制器、电流误差放大器 (IEA)、PFC比较器、电压误差放大器 (VEA) 和PFC脉冲输出驱动器。图1是PFC控制器的模块示意图。

内环是电流控制回路，包含了增益调制器、IEA和PFC比较器。外环控制回路是电压控制回路，利用VEA作为误差放大器。VEA输出 (VEAO) 也是增益调制器的输入之一。内环电流控制回路修整来自交流线路的线电流，并与交流线电压成正比。外环电压回路调节PFC直流总线电压，使之保持在大约385V左右。需注意的是，与电压控制回路相比，电流控制回路的带宽要大得多。

PFC控制器的PFC比较器 驱动器部分在图1中以虚线标注，其设计围绕PFC比较器。振荡器产生锯齿波形及与该锯齿波形下降边缘同步的时钟 (CLK) 信号。图1所见的锯齿波形被称为“PFC_RAMP”信号，也即RAMP1。

如图1所示，在周期开始处，CLK信号为高时，PFC_OUT为低。一旦PFC_RAMP超过电流误差放大器的输出 (IEAO) 值，PFC_OUT就变高，终接通外部PFC开关管。PFC_OUT一直保持高电平直到周期结束，CLK会将它设为低电平。因此，PFC能实现的调节功能。

通常，PFC芯片能确保PFC的负载周期D和PFC_OUT脉冲不会达到100%。防止了升压电感器达致饱和。的负载周期会在AC线电压的过零点处出现 (如图2所示的Ch2)。
因此，当Vin为零时，控制器芯片限制负载周期为98%。例如，图3所示是飞兆半导体的PFC控制器FAN4810的实际波形。这里Ch4是电流误差放大器的输出。

对设计人员而言，设置正确的电流误差放大器输出值是非常重要的。例如，FAN4810规格定义RAMP1谷对峰电压为2.5V。这意味着通过调节，IEAO电压的动态范围应该在RAMP1信号摆幅内，如图3所示的线迹Ch1和Ch4。

在许多IC中，IEA是跨导放大器 (transconductance amplifier)。图1所示为围绕该放大器的2类补偿电路。该补偿电路与参考电压引脚VREF连接，建立了PFC的软启动功能。当启动时，IEAO上升到参考电压水平；随着回路进行调节，IEAO从VREF水平下降到工作水平。这保证了PFC的负载周期从0% 逐渐增加到回路所需要的数值，从而提供了软启动功能，如图4所示。
增益调制器的功能

PFC控制器的中部心分是增益调制器和电压误差放大器，如图1所示。该增益调制器会生成控制信号给电流控制回路，让后者对这个输入电流进行修整。FAN4810 PFC控制器的电流控制回路确保电流传感器的负反馈电压被内部Rcp电阻上的正电压所平衡。这一正电压由流经Rcp的增益调制器输出电流所生成。因此，所产生的线电流 (I_line) 和 ISENSE 引脚上的电压被迫重复增益调制器输出波形的形状。换言之，这个情况：

I_line R_{s}=I_{GM} R_{cp} (1)

会常常出现。这里，Rs代表线电感电阻 (line current sense resistor)，而IGM是增益调制器的输出电流。

为了修整产生的线电流，增益调制器采用三个输入：IAC、VRMS 和VEA输出。引脚IAC通过1M 电阻与AC线整流桥的输出相连接 (见图6中的R4)。IAC为两倍线频率全波整流正弦波，与瞬态AC线电压成正比。IAC实际上修整了增益调制器输出电流，该电流由下式的正弦曲线描述：

I_{GM}=\frac{I_{VC} V_{RAO}}{V_{RMS}^{2}} (2)

在VRMS引脚的电压是与AC线电压RMS值成正比的DC电压，如图6所示。IGM 的设计与VRMS平方成反比。

为什么增益调制器的输出电流必须与AC线电压RMS 值的平方成反比呢？假设VEAO恒定不变，如果输入线电压加倍，为提供相同的功率，那么输入电流及IGM就应相应减小一半。由式 (2) 可知，若线电压加倍，IAC也会加倍。因此要抵消IAC 的增大，VRMS信号便应增加4倍。

VEA带宽和THD

增益调制器的第三个输入是VEA输出，会决定增益调制器输出电流的幅值。VEA的输入与监测PFC输出电压的分压器相连接 (图6)。在FAN4810的例子中，FB引脚在额定总线电压 (nominal bus voltage) 时被设置为2.5V。VEA是带类2补偿电路的跨导放大器，如图1所示。要关闭VEA的反馈回路，有两个相互矛盾的要求：1) 回路应具有足够低的带宽来缓减DC总线上的120Hz 纹波电压，从而减小输入线电流的总谐波失真 (Total Harmonic Distortion，THD)；2) 回路必须足够快的负载瞬态响应。

THD是设计人员考虑的重要因素。由于输出电容的移相特性，大容量电容的电压纹波相位与线电压相比时 (见图3中的Ch 3) 位移了90度。因此与位移的电压纹波成正比的信号直接输入到VEA，放大器的增益和带宽应该受到限制。通常，电压控制回路分频频率设置在10 ～30Hz之间。

增益调制器有两个有趣的特性很少被提及。首先，转移特性提供了自然的电压过低保护 (brown out protection)。增益调制器的增益被设计在线电压处。若输入电压恰巧低于规定的值 (电力减弱情况)，那么增益和PFC负载周期都会急剧下降，因而降低总线电压。第二个有趣的特性是内置过电流保护功能。增益调制器的输出电压会被限制，在FAN4810中为0.8V。如果因为任何原因，例如由于过载，ISENSE 引脚上的电压下降到低于 0.8V，IEA的反相输入对地负值将会更大。因此，IEAO水平将增加，这会降低PFC负载周期和总线电压，从而限制输出功率 (见图1)。

PFC保护电路

如同其他控制器一样，FAN4810包括了大量与PFC工作相关的保护电路。其中有过电压保护 (Over-Voltage Protection，OVP) 和过电流保护 (Over-Current Protection，OCP) (见图5)。利用由PFC OVP或电流限值设置的SR触发来终止PFC输出脉冲。所以，OVP和OCP故障会在每一个周期中被监测及闩锁。

飞兆半导体器件具有“三重故障 (Tri-Fault)”保护功能。这种保护可覆盖以下故障：(a) FB引脚对地短路，(b) 从PFC DC总线分压器到芯片的VFB引脚的连线 (引线或PCB走线) 断裂，(c) 分压器的顶端或底部电阻开路 (图6中的电阻R1、R2)。如果FB对地短路 (情况(a))，PFC_FB引脚上的电压将低于0.5V，Tri-Fault 比较器输出将停顿PFC OUT脉冲。在引线断裂(情况(b)) ，内部电流源开始对电容Ctf充电。于是，一旦FB引脚上的电压超过2.75V，OVP比较器将终止PFC输出。电容Ctf (图6中的C2) 是可选的选项，定义时间t_F 来触发保护电路。

t_F=\frac{Ctf 2.75V}{200nA}

对于 (c) 的故障情况，OVP或TRI_FAULT将终止PFC_OUT脉冲。如果因任何原因DC总线电压超过额定水平的10%，OVP保护开始起作用。例如，若额定总线电压为385VDC (FB引脚为2.5V)，只要总线电压超过423VDC (FB引脚为2.75V)，OVP就会被触发。

小结

PFC控制器集成了诸如过电压保护 (OVP)、过电流保护 (OCP) 及FAN4810示例中的三重故障 (TriFault) 保护等功能，在AC/DC设计中起着重要的作用。带有有源PFC及接近统一功率因子的转换器能满足ICE61000-3-2 规范的要求，减少了电源设计者的一个主要顾虑。