固定頻率連續(xù)電流型PFC控制器NCP1653

1、固定頻率連續(xù)電流型PFC控制器NCP1653 及其應(yīng)用  作者：李龍文  摘要：討論了固定工作頻率、連續(xù)電流型PFC 電路的工作原理，介紹了NCP1653 的引腳功能及使用特點(diǎn)。給出了一個(gè)典型應(yīng)用電路及其試驗(yàn)波形。0 引言    從交流電網(wǎng)經(jīng)整流供給直流是電力電子技術(shù)及電子設(shè)備中應(yīng)用極為廣泛的一種基本變流技術(shù)。例如在開(kāi)關(guān)電源（即AC/DC 開(kāi)關(guān)電源）的輸入端，交流電流經(jīng)全波整流后，一般接一只大電容，以得到波形較為平直的直流電源。這種整流器與電容濾波器的組合，雖然輸入交流電壓是正弦的，但輸入交流電流卻是脈沖狀的。這種嚴(yán)重畸變的非正弦電流，造成了諧

2、波電流對(duì)電網(wǎng)的危害，并引起輸入端功率因數(shù)的下降。    有源功率因數(shù)校正（PFC，Active Power FactorCorrection）電路的引入，應(yīng)用電流反饋技術(shù)，使輸入電流的波形跟蹤輸入正弦電壓的波形，大大減小了諧波，提高了功率因數(shù)。由于PFC 電路采用Boost 拓?fù)洌钥梢栽谳^寬的輸入電壓范圍（如AC 90264 V）和寬頻下工作。然而，PFC 電路在較低輸入電壓時(shí)，電路的損耗加大，效率也會(huì)降低。NCP1653 采用固定工作頻率及連續(xù)電流方式，滿足了PFC 電路的各項(xiàng)控制功能，它所特有的跟隨型升壓技術(shù)則滿足了在不同的輸入電壓條件下，使電路中的功率器

3、件始終工作于最優(yōu)化的狀態(tài)。1 NCP1653的功能框圖    NCP1653 是一款設(shè)計(jì)成連續(xù)導(dǎo)通型(CCM)的功率因數(shù)校正用升壓式的PFC 控制電路，它可以工作在跟隨升壓或固定輸出電壓兩種模式，工作頻率固定于100kHz，有效地減少了升壓電感的體積，減小了功率MOSFET的電流應(yīng)力，從而降低了成本，采用DIP-8 及SO-8封裝，它的外圍元器件數(shù)量很少，且極大地簡(jiǎn)化了CCM 型的PFC 的操作，它還集成了高可靠的保護(hù)功能。    NCP1653 典型應(yīng)用簡(jiǎn)圖如圖1 所示，其原理方框圖如圖2所示，其引腳功能如下。圖1 NCP1653

4、的典型應(yīng)用電路圖2 NCP1653PFC 控制器的內(nèi)部等效電路    腳1（FB/SD）反饋及關(guān)斷國(guó)該端子接受反饋電流IFB，它正比于PFC 電路的輸出電壓，該電流大小用于輸出電壓調(diào)節(jié)，輸出過(guò)壓保護(hù)（OVP）及輸出欠壓保護(hù)。    腳2（Vcontrol）控制電壓/軟起動(dòng)國(guó)該端電壓直接控制輸入阻抗，亦即電路的功率因數(shù)，該端接一外接電容以限制Vcontrol 帶寬，典型值為20Hz以下，以便實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)。在Vcontrol=0 時(shí)，器件無(wú)輸出。因此，Vcontrol也用做軟起動(dòng)。    腳3（In）輸入

5、電壓控制國(guó)該端流入一個(gè)由輸入電壓給出的電流Ivac，它正比于輸入電壓的均方根值Vac，電流Ivac 還用于過(guò)功率限制（OPL）及PFC的占空比調(diào)制，當(dāng)乘積IsIvac達(dá)到3nA2過(guò)功率保護(hù)閾值時(shí)，OPL 激活，并使占空比減少，用降低Vcontrol的方式直接減少輸入功率。    腳4（CS）輸入電流檢測(cè)國(guó)該端給出一個(gè)電流Is，它正比于電感電流IL，檢測(cè)電流Is 用于過(guò)流保護(hù)（OCL），過(guò)功率限制（OPL）以及占空比調(diào)制，當(dāng)Is達(dá)到200 A 以上時(shí)，OPL 即開(kāi)始工作并禁止輸出。    腳（5）（VM ）乘法器電壓國(guó)該端提供一個(gè)電壓V

6、M用于PFC 的占空比調(diào)制，PFC輸入電路的輸入阻抗正比于外接于此端的電阻RM，器件工作在平均電流型時(shí)要在此處外接一個(gè)電容CM，否則，將工作在峰值電流型。    腳6（GND）公共端國(guó)地端。    腳7（Drv）驅(qū)動(dòng)輸出國(guó)該端給出調(diào)制脈沖，驅(qū)動(dòng)外接的功率MOSFET。    腳8（Vcc）電源電壓國(guó)它給器件提供工作電壓，工作范圍為8.7518V，UVLO閾值為13.75V。2 NCP1653 的工作原理2.1 CCM式PFC 升壓    一個(gè)CCM升壓變換器如圖3 所示，輸入

7、電壓由50Hz 或60Hz正弦信號(hào)整流得來(lái)，MOSFET 在102kHz頻率下開(kāi)關(guān)，所以電感電流IL 由高頻及低頻兩部分組成。圖3 CCM PFC 的升壓電路PFC 的方法論證    濾波電容Cfiltor 是一個(gè)小容量的電容，這也是為了減小高頻電感的電流IL，該濾波電容不能太大，否則會(huì)引起輸入電壓畸變而影響功率因數(shù)。    NCP1653 使用一個(gè)預(yù)先設(shè)置的PFC 方式特別設(shè)計(jì)成CCM方式工作。PFC 的工作原理論證如下。如圖4所示，電感電流IL在開(kāi)關(guān)周期T中，充電部分t1和放電部分t2，電壓變換比為  

8、0;圖4 CCM 中的電感電流    輸入濾波電容Cfiltor 及前端EMI 濾波吸收電感電流的高頻部分，它使輸入電流Iin成為低頻的電感電流。       使電感電流IL 的帶寬成為50 Hz 或60 Hz 帶寬。    從式（1）和式（2），得到輸入阻抗Zin為       當(dāng)輸入阻抗Zin 恒定或在5060 Hz 的帶寬內(nèi)緩慢變化時(shí)，則功率因數(shù)被校正。    PFC 占空比調(diào)制及

9、時(shí)序圖如圖5 所示，其中MOSFET 在t1時(shí)刻導(dǎo)通，此為基準(zhǔn)電壓Vret 與斜波電壓Vramp交叉點(diǎn)。      充電電流Ich 專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)于式（5），乘法器電壓VM表達(dá)式見(jiàn)式（6）。        從式（3）式（6），輸入阻抗Zin由式（7）給出       由于Vref 和Vout 隨時(shí)間變化大致上是恒定的，乘法器電壓Vm設(shè)計(jì)成正比于IL-50。這樣對(duì)PFC 可以有一個(gè)恒定的Zin，如圖6 所示。  &

10、#160; 由圖5 的時(shí)序圖可以看出，電感電流的開(kāi)關(guān)頻率紋波組成了初始的Vm，占空比可以因這個(gè)紋波準(zhǔn)確的產(chǎn)生，這種調(diào)制稱作峰值電流型。這樣，一個(gè)外部電容Cm接到乘法器電壓Vm端（腳5），專(zhuān)門(mén)用于旁路Vm 的高頻含量，這種調(diào)制就變成了所謂的平均電流型，它有更好的精度。圖5 PFC 的時(shí)間順序圖圖6 乘法器電壓與時(shí)間圖    乘法器電壓Vm由式（8）給出，即       輸入電壓的電流Irac 正比于輸入電壓的有效值Vac，如式（9）所列。后綴ac描述有效值，它為50 Hz或60 Hz帶寬。乘法器電阻RM是外

11、接電阻，接于乘法器電壓有效值M端（腳5），它是恒定的。          由于電流Is 正比于電感電流IL，式（10）所表示，IL由高頻成分（取決于di/dt或電感L）及低頻率分量（為IL-50）組成。       F，其表達(dá)式為   圖7 VCONTROL的低通濾波    從式（7）式（10），可得輸入阻抗Zin為      

12、 乘法器電容CM 是濾掉乘法器電壓VM 中高頻成分的一個(gè)濾波器。高頻成分來(lái)自電感電流IL，換句話說(shuō)，濾波電容Cfilter同樣移取了電感電流IL的高頻分量，如果電容CM及Cfilter 彼此互相匹配。則IL變成IL-50，輸入阻抗Zin 就近似恒定在5060Hz 的帶寬內(nèi)，因此功率因數(shù)被校正。    實(shí)際上，差模電感在EMI的前端濾波器改善了電容Cfilter的濾波性能。因此乘法器電容CM通常用一個(gè)大容值電容。    輸入及輸出功率（Pin 和Pout）由式（13）給出，此時(shí)，電路效率為假設(shè)值，Vac為輸入電壓的RMS值。 

13、   又因?yàn)镻out=Pin    因此，Pout也正比于IcontrolVac Vout。2.2 跟隨型升壓    NCP1653 可以實(shí)現(xiàn)恒定型電壓輸出，也可以實(shí)現(xiàn)跟隨型電壓輸出。跟隨型電壓輸出可有效地減小PFC 電感的體積，降低對(duì)功率MOSFET 的要求。用這種技術(shù)，輸出電壓不必設(shè)定在不變的電平，可根據(jù)輸入電壓和負(fù)載決定，容許較低的輸出電壓，可降低電感及功率MOSFET的成本。在寬輸入電壓范圍（如AC 90264V）應(yīng)用場(chǎng)合，當(dāng)輸入電壓較低時(shí)，這種方式可減少功率MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間，從而減少PFC 電路的功

14、耗，降低EMI 的影響。    當(dāng)Icontrol 恒定時(shí)，NCP1653 工作在跟隨型升壓方式。在式（13）中，如果Icontrol是恒定的，對(duì)于恒定負(fù)載或功率，變換器的輸出電壓正比于輸入電壓Vac 的有效值，它意味著在輸入電壓Vac的有效值低時(shí)，輸出電壓Vout也比較低。另一方面，在負(fù)載變重或功率變高時(shí)，輸出電壓Vout也變低，如圖8所示。圖8 PFC的跟隨升壓特性    PFC 的輸出電壓Vout 的檢測(cè)是作為反饋電流IFB流入器件的FB 端的。由于FB 端電壓VFB 是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Vout，它通常可以忽略。  

15、 式中：RFB是一個(gè)接在FB端和Vout 的反饋電阻，如圖2所示。    這樣反饋電流IFB代表著輸出電壓Vout，用來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，并實(shí)現(xiàn)過(guò)壓保護(hù)及欠壓保護(hù)。反饋電流IFB 與輸出電壓Vout的關(guān)系，如圖9 的調(diào)整曲線所示。圖9 中，基準(zhǔn)電流Iref的典型值為200 A，Icontrol=Vcontrol/R1，關(guān)系如圖7 所示。圖9 中三個(gè)線性區(qū)域?yàn)?#160;   （1）IFB<96%Iref；    （2）96%Iref<IFB<Iref；    （

16、3）IFB>Iref。    現(xiàn)分別討論如下。  區(qū)域（1）IFB<96%Iref    當(dāng)IFB小于Iref的96%時(shí)，NCP1653 工作在跟隨升壓模式，調(diào)節(jié)輸出Vref在最大值。Vcontral也變?yōu)樽畲笾礦control=Vcontr（ol max)，它是一個(gè)常數(shù)。式(13)變成式（15）。       輸出電壓Vout調(diào)整在某一特定值。它與輸入電壓Vac 有效值的實(shí)際值及輸出功率Pout 相對(duì)應(yīng)。但是這個(gè)輸出電壓不是恒定的，它取決于Vac 與P

17、out的不同數(shù)值。跟隨型升壓式工作區(qū)域圖如圖10 所示。圖10 跟隨升壓區(qū)域 區(qū)域（2）96%Iref<IFB<Iref    當(dāng)IFB 在96%100%的Iref 之間時(shí)，NCP1653 工作在恒定輸出電壓狀態(tài)，它很像跟隨型的特性，但只有很窄的輸出電壓范圍。調(diào)節(jié)的輸出Vreg隨著IFB減少，從96%Iref到100% Iref。它給出線性調(diào)節(jié)Vcontrol的關(guān)系如式（16）所列。   解式（13）及式（16），得       根據(jù)式（17），輸出電壓Vout在

18、輸出小功率時(shí)變成RFBIref，它是工作在此區(qū)域中Vout 的最大值。因此它可以包括在輸出功率減少時(shí)，輸出電壓增加，它很像跟隨特性式(15)。另一方面在式（17）中，輸出電壓Vout 在輸入電壓Vac 有效值非常高時(shí)也變?yōu)镽FBIref，它也是這個(gè)區(qū)域的Vout的最大值。因此，它還可以在輸入電壓有效值升高時(shí)，輸出電壓也升高的狀態(tài)。它很像另一種跟隨升壓特性，這個(gè)特性由圖11 說(shuō)明。圖11 恒壓輸出區(qū)域 區(qū)域（3）IFB>Iref    當(dāng)IFB大于Iref時(shí)，NCP1653輸出的占空比為0。Vcontrol 也變?yōu)? V。調(diào)節(jié)的輸出Vreg 也變?yōu)? V，乘法

19、器電壓VM變成其最大值，且在t1時(shí)刻通常為0。然后Vout減少到它的最小值Vin。 工作條件    NCP1653 電路工作在下列條件之一。    （1）恒定的輸出電壓，輸出電壓調(diào)節(jié)在RFBIref的96%100%，輸出電壓由式（16）給出，它很像先前的跟隨升壓。    （2）跟隨升壓型，輸出電壓調(diào)節(jié)在RFBIref 的96%及Vcontrol=Vcontrol(max)=Iref/2=100A。輸出電壓由式（15）給出。2.3 輸入電壓和電流的檢測(cè)    輸入電壓的檢測(cè)如圖

20、12所示。NCP1653 內(nèi)部的電流鏡偏置電壓為4 V?？捎墒剑?）來(lái)計(jì)算Ivac，外接電容Cvac 用于保持In 端（腳3）的電壓。這里Ivac 電流表征了Vac 的值，并將用于過(guò)功率限制及PFC 占空比的調(diào)制。圖12 輸入電壓檢測(cè)    In 端內(nèi)部接了一只9V的ESD 齊納二極管，Rvac的推薦值至少為938k，可以使瞬時(shí)輸入電壓到400V，如式（18）所列。       電感電流的檢測(cè)方法如圖13 所示。Rcs 及Rs的選擇由式（10）決定。Is 表征了電感電流IL 在NCP1653 中用于產(chǎn)生乘

21、法器的輸出電壓VM，進(jìn)行PFC占空比調(diào)制，過(guò)功率限制及過(guò)流保護(hù)。傳感電阻Rs還起到了限制開(kāi)機(jī)沖擊電流的作用。圖13 電流檢測(cè)2.4 NCP1653 的保護(hù)功能 軟起動(dòng)    在Vcontr（ol 腳2）電壓為0 時(shí)，器件無(wú)輸出，接在此處一個(gè)電容Ccontrol就可以實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)功能。 過(guò)壓保護(hù)（OVP）    當(dāng)反饋電流IFB 高過(guò)基準(zhǔn)電流Iref 的107%時(shí)，器件的驅(qū)動(dòng)輸出變?yōu)榈碗娖?。電路在反饋電流重新變低時(shí)，自動(dòng)地恢復(fù)工作。    最大OVP 閾值限制在230 A，對(duì)應(yīng)最大的230A×=44

22、4V。因此，通常推薦用450V的輸出電容。 欠壓保護(hù)（UVP）    當(dāng)反饋電流IFB 少于基準(zhǔn)電流8%Iref 時(shí)，器件關(guān)閉。此時(shí)器件消耗的電流少于50A，在輸出電壓超過(guò)正常調(diào)整水平12%時(shí)，器件自動(dòng)地恢復(fù)工作。升壓式變換器在正常條件下，輸出電壓Vout 總是大于輸入電壓Vin 的。因此，反饋電流也總是大于使NCP1653 正常工作值的8%12%。其工作特性如圖14 所示。圖14 欠壓保護(hù) 過(guò)流保護(hù)（OCP）    過(guò)流保護(hù)在Is 大于Is(ocp（) 200 A）時(shí)發(fā)生。CS端（腳4）的失調(diào)電壓典型為10 mV，計(jì)算時(shí)可以忽略。這

23、樣最大電感電流閾值IL(ocp)由式（19）得到       當(dāng)達(dá)到此過(guò)流保護(hù)閾值時(shí)，器件的驅(qū)動(dòng)輸出Drv 端（腳7）為低電平。當(dāng)電感電流降至閾值以下，器件自動(dòng)地恢復(fù)工作。 過(guò)功率限制（OPL）    檢測(cè)電流Is 表示著電感電流IL，因而表示了近似的輸入電流，輸入電流Ivac 代表輸入電壓有效值Vac，因而也代表輸入電壓，它們的乘積（IsIvac）表示近似的輸入功率（ILVac）。    當(dāng)乘積（IsIvac）大于容許的水平3nA2，則圖5所示的調(diào)節(jié)器的輸出電壓Vref被拉到0 V，它使Vcontrol間接也達(dá)到0 V，而Vm則達(dá)到最大值。它產(chǎn)生最小占空比或沒(méi)有占空比，此時(shí)，輸入功率被限制住，如圖15所示。圖15 過(guò)功率限制OPL