PFC与PWM组合控制器TDA16888

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高性能PFC与PWM组合控制器TDA16888及其应用

摘要：TDA16888是为新一代带通用线路输入和功率因数校正（PFC）的离线开关型电源（SMPS）而设计的。本文介绍了TDA16888的功能及其应用。

关键词：PFCTDA16888

　　一、引言

     开关电源（SMPS）、荧光灯交流电子镇流器和变频调速器这类电力电子装置，采用传统的桥式整流、电容滤波电路会使AC输入电流产生严重的波形畸变。早在80年代初，人们已对这类装置产生的高次谐波电流所造成的危害引起了关注。1982年，国际电工委员会制订了IEC55－2限制高次谐波的规范（后来的修订规范是IEC1000－3－2），促使众多的电力电子技术工作者开始了对谐波滤波和功率因数校正（PFC）技术的研究。

    微电子技术日新月异地飞速发展，有源功率因数控制器IC应运而生。自80年代中期开始，西门子等公司推出了TDA4814/TDA4815/TDA4816/TDA4817/TDA4818/TDA4819/TDA4862等系列PFC控制器单片IC，其中TDA4814/TDA4816/TDA4817/TDA4862适合于在电子镇流器升压式PFC预调整器中用作控制器，而TDA4815/TDA4818/TDA4819则适用于SMPS的谐波滤波及功率因数校正。进入90年代后，有源PFC控制器单片IC迅速发展，品种规格已达近百个，有源PFC升压变换器的输出功率可达4.5kW。为降低SMPS的成本，使其线路进一步简化，90年代中期，PFC与PWM二合一单片IC开始崭露头角。其代表性产品有线性技术（LT）公司的LT1508/LT1509和微线性（ML）公司的ML4819/ML4821/ML     4824/ML4826/ML4801/ML4803等。其中，ML4803采用8脚封装，是1999年1月公布的新产品。本文介绍的高性能PFC与PWM控制器TDA16888，是西门子公司新推出的高集成度单片IC，为PCs、CTVs、监视器和工业用新一代SMPS，并利用失效模式结果分析（英文缩写为FMEA）规则而设计。

二、封装形式、内部结构及主要特点

1．封装形式、内部结构及引脚功能
    TDA16888采用P－DIP－20－5和P－DSO－20－1封装，顶视图及引脚排列如图1a、b所示。

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图1a P-DIP-20-5封装顶视图
TDA16888由PFC和PWM控制器两部分组成。PFC控制器主要包含有电压误差放大器（OP1）、乘法器、电流放大器（OP2）、比较器（C1～C3）、运算跨导放大器（OTA1～OTA3）、触发器（FF1）和PFC输出驱动器等电路。PWM部分主要包括振荡器（与PFC共用）、比较器（C4～C10）、触发器（FF2）和PWM图腾柱（即推拉式）栅极驱动器等单元电路。此外，TDA16888还内置7.5V的精密带隙基准、欠电压锁定（UVLO）和电源控制电路。图2为TDA16888内部结构方框图。 TDA16888的引脚功能见表1。
2．主要特点
88内的PFC控制器可以组成升压式预调整器，也可以组成回扫式拓扑，在连续或断续方式下工作，采用平均电流和电压传感双环控制及前沿触发宽度调制，最大占空比为94％。改进的电流型控制PWM电路可用作设计正向或回扫式变换器。为防止变压器饱和、后沿触发的PWM最大占空比限制在50％。PFC和PWM控制器在内部保持同步，在相同的频率上工作，固定频率范围从15kHz直至200kHz。PFC与PWM均采用快速软开关图腾柱栅极驱动（IA）。TDA16888启动电源电流典型值为50μA,静态工作电流仅15mA,具有低待机功耗。监视和保护特征主要包括PFC直流输出过电压和欠电压监测、峰值电流限制和IC电源欠电压闭锁等。

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图1b P-DSO-20-1封装顶视图

表1TDA1688的引脚功能
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TDA16888可用作设计适用于世界各国AC供电线路、输入电压从90V到270V的高品质离线SMPS，满足IEC1000－3－2关于AC输入电流的谐波限量要求，实现高于0.99的线路功率因数，并具有低成本、低损耗和高可靠等优点。此外，IC的PFC还可用作辅助电源。

三、工作原理概述

1．电源

TDA16888的脚9（Vcc）内部并联一支17.5V的齐纳二极管Z3（见图2），只要该脚上的电压达17.5V以上，IC则被保护。在IC的任意脚都有专门的静电放电（ESD）电路，用作ESD保护。只要Vcc脚上电压超过14V的门限，IC则从待机状态进入操作模式。当电源电压降至11V的门限以下时，IC则从操作模式进入待机状态。通过TDA16888的电源控制和脚13（PWMSS）的软启动特性，在电源电压进入稳态后，PWM控制器通过内部的偏置控制被赋能运行。
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图2TDA16888内部结构方框图

2．保护电路

TDA16888的比较器C6通过脚19（PFCVS）传感过电压后，立即关闭PFC和PWM的栅极驱动，履行过电压保护功能。运算跨导放大器OTA2除了用作改进PFC预调整器的负载调整之外，也通过对脚19上的信号检测，实现对乘法器输出QM的适度控制和快速过电压保护。万一PFC输出出现欠电压，比较器C4通过脚19检测。为提升PFC输出电压，减小负载电流，PWM控制器将关断其栅极驱动器输出。欠电压关闭必须在IC欠电压自锁之前发生，也就是说，关闭PWM输出时，脚9（Vcc）上的电压恰好在11V的欠电压自锁门限以上。如果在脚19上的电压由于某种原因降至1V以下，比较器C2则被触发，IC脚8上的PFC输出立即关闭。 TDA16888的比较器C3和C9分别通过脚6（PFCCL）和脚11（PWMCS）传感器和检测PFC和PWM变换器的电流。只要脚6和脚11上的电压达到峰值电流限制门限，则会立即关断脚8（PFCOUT）或脚10（PWMOUT）栅极驱动输出。此外，TDA16888的每个引脚都具有抗ESD保护功能。

3．振荡器/同步化

    TDA16888振荡器频率由一只连接于脚16（RSOC）与地之间的外接电阻设定。为保证有一个低电流消耗和对电磁干扰（EMI）有一个高阻抗，相应的电容被集成。PFC和PWM时钟信号与PFC电压斜坡一样，通过内部的振荡器同步化。为确保时钟频率的精确度，时钟信号由三角波而不是锯齿波信号派生而来，并且提供一个占空比为50％的时钟参考信号。在馈送到PFC和PWM之前，振荡器时钟信号的频率通过D寄存器（D－Latch）减半。 PFC斜坡信号由一个缓慢的下降沿和陡峭的上升沿组成。考虑到在脚5（GNDS）上的电流测量和OP2的脚5与脚3（PFCCC）之间外部有补偿，PFC斜坡极性先于其它波形反转。 IC的振荡器也可与施加到脚12（SYNC）上的外部时钟脉冲信号同步化。但由于振荡频率在进入PFC和PWM电路之前被二等分减半，故同步频率宜为工作频率的2倍。只要同步信号处于高电平，振荡器的三角波信号则被阻断，并且其时钟信号是高电平。外部的时钟信号从高到低变化，振荡器就释放。施加到脚12（SYNC）上的一个外部时钟信号，通过脚16脚（ROSC）上的外接电阻，可使振荡频率fosc从0.66focs到2fosc变化。为减小在低负载条件下的总电流消耗，在脚13（PWMSS）上的电压只要低于0.4V(PWM控制器禁耗)，振荡器频率则被平分。

4．PFC控制器

TDA16888中的PFC控制器带双环控制。其中，内环控制由OP2、C1和PFC驱动器组成，利用连续或断续模式的平均电流控制，实现对AC线路输入电流波形的校正。外环控制主要由OP1、乘法器、OP2、C1、FF1和PFC驱动器支撑，控制PFC输出DC电压。此外，OTA1、OP2、C1、FF1和PFC驱动器组成第三个控制环路，在PWM控制器被禁能时，允许PFC电路作为辅助电源工作。此情况下，为减小总电流消耗，PFC电路工作频率应为正常工作频率的一半。为得到最小的AC输入电流（过零时）间隙，PFC驱动输出信号的最大占空比为94％。

5．PWM控制器

与通常采用的前沿电流消隐比较，TDA16888的PWM控制器采用改进的电流型控制，包含有效的斜率补偿，以提高对尖峰脉冲噪声的抑制能力。该作用的实现，通过OP3、电压源V1（1.5V）、低通滤波元件R1及脚15（PWMRMP）上的外接电容实现。PWM负载电流通过脚11（PWMCS）外部的并联电阻检测，并由OP3进行放大。在功率晶体管开通时，由于电容放电产生的超前尖峰，被一个低通滤波器所抑制。利用电压V1与后随低通滤波器的结合，能产生一个带有超前陷波的阶跃斜坡，可完全补偿一个超前尖峰噪声。     PWM控制器根据在脚15（PWMRMP）上的PWM斜坡电压和脚14（PWMIN）上的输入电压采用后沿调制。而PFC控制器的脉冲宽度调制采用前沿触发，这样可以避免PFC与PWM控制器之间的电磁干扰（EMI）。为阻止变压器饱和，PMW最大占空比限制到50％。通过改进的电流方式控制，从最大负载到无载，可得到稳定的脉冲宽度调制。     TDA16888的振荡器频率设定电路及其相关波形如图3所示。

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图3a TDA16888振荡器频率设定等效电路

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图3b TDA16888相关波形

四、TDA16888的典型应用

    TDA16888适合于用作设计AC输入电压从90V到270V、带PFC功能的新一代SMPS。利用TDA16888能够组成多路输出回扫变换器，也可以组成多路输出前馈变换器等不同的拓扑。图4示出了用TDA16888作为控制器的150W高功率因数PC开关电源电路原理图。该150W前馈多路输出PCSMPS，AC输入电压范围为90～270V，三路DC输出为－12V/1A、12V/4.2A和5V/20A，辅助电源输出是5V/0.1A；系统功率因数高于0.99,AC输入电流总谐波畸变率（THD）及各次谐波分量值符合IEC1000－3－2规定的限制要求，属于一种新一代绿色SMPS。

1有源PFC升压式预变换器

    有桥式整流器D1～D4与铝电解电容C3之间，TDA16888内的PFC控制器、升压电感L,升压二极管D5、功率开关Q1（MOSFET）和电流传感电阻R6等，组成有源PFC升压式预变换器。

    在SMPS接通AC输入电压之后，流经高阻电阻R2的电流对组合IC（Combi－IC）脚9上的外接电容C11A充电。只要C11A被充电到脚9（Vcc）11V的门限电压以上，IC中的PFC控制器则被触发启动。C11A容量应足够大（至少不低于22μF），在脚9上电压因C11A电跌落到11V的关断门坎电压之前，IC可被激活，为Q1栅极发送驱动脉冲。为节省电路，在PFC控制器触发过程中，Combi－IC用正常工作频率的1/2驱动升压晶体管Q1，同时PWM控制器尚未被触发赋能。IC电源电压由L2的辅助绕组AUX1、C18和D11、R28、Q3及C11A组成的电源电路提供。L2的另一个辅助绕组及D16～D19、IC5和C19、C20组成辅助电源电路，输出为5V/0.1A。     在Q1漏极通过D6和C4与其栅极驱动电路相连接，一旦在DC母线电压出现一个过冲，通过D6能在100μs之内被检测，并使因过冲停止工作的升压开关Q1开始运行。在IC待机工作时，DC总线电压仍保持在正常的电平上。如果DC总线电压低于正常值，IC则依靠D6和R2启动。IC的第一个过电压门限是DC母线电压比设定值（380V）高出10％以上时，此情况一旦发生，通过IC内的OTA2和乘法器关断Q1，以阻止DC总线电压的升高。当DC总线电压比设定值高20％时，达到第二个过电压门限，IC将迅速关闭PFC和PWM输出，并与输入端压敏元件R30相结合，履行过电压保护功能。

     误差放大器（OP1）在脚18输出一个带有叠加AC小纹波的电压信号，与来自脚1的AC电流传感信号相乘，在乘法器输出的电流波形如同AC输入电压波形一样，按正弦规律变化。电流误差放大器（OP2）用作控制乘法器输出，对乘法器包含的脚18上的电压输入有一个扩充功能。在轻载和无载情况下，IC内的OTA3负责照管PFC电路DC输出总线电压的稳定性。只要OP1在脚18上的输出降至1.2V以下，通过校正乘法器输出电流，就可实现对DC总

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图4用TDA16888作为控制器的150W高功率因数多路输出PC开关电源电路

线电压的调节作用。由TDA16888内的PFC控制器组成的有源PFC升压变换器，主要作用有：一是在AC输入端产生与AC输入电压同相位的正弦电流波形（如图5），具有低谐波畸变和几乎接近于1的高功率因数；二是输出不随AC输入电压波动变化的高度稳定的DC电压；三是PFC输出DC电压纹波Vp－p很小，且呈100Hz/120Hz（工频2倍）的正弦波，可使用容量较小的滤波电容（C3）。

2PWM变换器

当DC总线电压升至设定值的80％（即380×80％=304V）以上时，PWM变换器通过软启动（脚13）用正常工作频率开始运行。当Q4饱和导通将软启动电容C14短路时，IC的PWM控制器则禁能。PFC升压变换器开关Q1随脉冲宽度调制前沿导通，而PWM开关Q2则随后沿开通，延迟时间通常至少为工作周期的50％。 PWM开关Q2源极电阻R15上的电流信号，经R32和C21低通滤波器滤波，通过IC脚11检测。R15上的电压被IC内OP3放大5倍后，馈送到IC中10kΩ电阻上。为进行斜率补偿，并抑制尖峰噪声，IC脚15与地之间外接电容C13产生一个斜坡电压，与的TDA16888同步化电路

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图5AC整流电压与AC输入电流波形

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图6栅极驱动电压与对开关（BUZ91）的驱动电流波形

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图7PFC与PWM开关漏源极之间电压波形

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图8由锁相环4046COMS－IC组成

IC中10kΩ（R1）电阻上的电压相叠加。斜坡电压高电平为6.5V，脚14上相应的有源输入范围为0.4～7V。在PWM比较器上较高的电平，具有较好的操作稳定性和抗EMI性能。IC脚11上的电流传感输入同时还通过IC内门限电压是1V的快速比较器（C9），履行最大电流限制功能。SMPS的次边DC输出电压的波动，通过光电耦合器IC3反馈到IC脚14，以调节PWM占空因数，从而在输出端获得稳定的DC电压。

3PFC和PWM栅极驱动

为避免产生交叉传导电流，并产生一个电压调制开通斜面，TDA16888的PFC和PWM（MOSFET或IGBT）MOS栅极驱动器采用图腾柱拓扑结构。导通斜面（即栅极驱动电压上升前沿）从OV适度地升高到3V，再从3V缓慢地增加到5V，最后从5V适度地上升到12V，如图6所示。这种栅极驱动电压上升沿有利于在IC履行电流限制功能时，能快速关断功率开关，并使占空比可连续不断地减小到零。当峰值电流大约达1.5A时，PFC和PWM栅极驱动输出将迅速关闭。当Combi－IC在欠电压门限以下工作时，其驱动输出为低电平。 PFC与PWM开关（Q1、Q2）的漏一源极之间的电压波形如图7所示。

4振荡器与同步

Combi－IC的振荡器依靠内部集成的低容差小电容、一个专门的电压和温度补偿的电流镜及脚16上外接电阻R24工作，内部振荡器频率为外部工作频率的2倍，并通过触发器将PWM占空比限制在50％以内。通过改变R24上的电流可以使振荡器工作频率发生变化，同时影响脚15上外接电容C13上的斜坡电压。有一个外部同步信号可输入到脚12，并叠加于内部振荡器上。

TDA16888的开关频率可通过锁相环（PLL）－CMOS－IC4046的（CRT监视器的）基准频率同步化，如图8所示。4046控制TDA168888 脚16上的输出电流，从而确立内部振荡器开关频率。TDA16888脚10上的PWM输出信号通过R50、R51电压分配器馈送到4046的脚3。取自CRT偏转线圈上的参考频率信号输入到4046的14脚，与内部的相位比较器进行比较。在4046脚13上的输出信号，代表PWM输出与参考信号的相位差，通过R55和C44组成低通滤波器馈送至脚9（VOC），形成相位差的平均值信号。Q6的基板电流由4046的脚10（DEMOUT）控制，R24、R52可用作设定TDA16888振荡器最小和最大频率（从60kHz到120kHz可调）。Q6集电极上的动态信号经Q5及其RC网络反馈到4046的脚9。C43和C47用作旁路高频电流，PLL的响应时间低于10ms。如果有些PWM输出脉冲错过，振荡器频率则偏移至最高值；如果参考频率和触发器脉冲失踪，振荡器频率则降至值。

型号/规格

TDA16888

品牌/商标

Infineon

供应PFC与PWM组合控制器TDA16888