基于單周期控制的IRll50型PFC控制IC及其應(yīng)用

1 引言
75 W以上家用電器及類似電氣設(shè)備的電流諧波，都必須符合IECl00-3-2(及日本JICC61000-3-2、中國(guó)CCC等)強(qiáng)制性規(guī)范中的限量要求。為此，開(kāi)關(guān)電源和電子鎮(zhèn)流器等都必須采取PFC措施。對(duì)于基于控制IC的有源PFC升壓變換器而言，主要有3種類型，即電感電流不連續(xù)導(dǎo)電模式(DCM)、臨界導(dǎo)電模式(CRM)和連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)。其中，CCM控制IC及其組成的PFC變換器電路比較復(fù)雜，適用功率范圍為200 W～4 500W。傳統(tǒng)CCM PFC電路都采用16引腳至20引腳DIP或SO封裝，在應(yīng)用中、外圍元件較多，系統(tǒng)成本較高。IR公司采用“單周期控制”專利技術(shù)發(fā)明的CCM下工作的PFC控制器IRll50的封裝引腳減少到8個(gè)，使PFC預(yù)調(diào)節(jié)器印制電路板(PCB)面積縮小50％，外部阻容元件減少40％。IRll50的使能啟動(dòng)、微功率啟動(dòng)和睡眠模式等特征符合待機(jī)功率小于1 W的“藍(lán)天使”和“能源之星”等節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。
IRll50的主要特點(diǎn)如下：
CCM升壓型PFC，并以單周期控制專利技術(shù)為基礎(chǔ)；
無(wú)需外部AC線路電壓檢測(cè)電路；
開(kāi)關(guān)頻率(50 kHz~200 kHz)可編程,最短關(guān)斷時(shí)間為150 ns~350 ns，最大占空比限制在98％；
輸出過(guò)電壓/欠電壓保護(hù)、軟啟動(dòng)、逐周峰值電流限制、開(kāi)環(huán)保護(hù)、Vcc欠電壓鎖定、鎖存抗擾及靜電放電(ESD)保護(hù)；
微功率啟動(dòng)(200μA)及微功率“休眠”模式；
快速1.5 A峰值柵極驅(qū)動(dòng)電流,使其輸出功率范圍超過(guò)l kW(最高達(dá)4 kW)；
柵極驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部被箝位在13 V電平；
采用8引腳SOIC封裝。

2 引腳功能及推薦工作條件
IRll50的引腳排列如圖1所示。各個(gè)引腳功能如下所述：

腳1(COM)：IC地。
腳2(FREQ)：該引腳與COM之間連接一只電阻器，用作開(kāi)關(guān)頻率設(shè)置(50 kHz～200 kHz)。
腳3(ISNS)：電流檢測(cè)輸入與峰值電流限制。該引腳上的電壓是外部電流檢測(cè)電阻器上的負(fù)電壓降,表示峰值電感電流。該引腳上的電壓經(jīng)內(nèi)部前沿消隱輸入到門限為-1 V的峰值電流限制保護(hù)比較器,同時(shí)被回饋到內(nèi)部電流檢測(cè)放大器。電流檢測(cè)放大器輸出高頻噪聲被濾除，而后注入到求和節(jié)點(diǎn)。
腳4(OVP/ENA)：過(guò)電壓保護(hù)/使能輸入。該引腳內(nèi)部過(guò)電壓保護(hù)(OVP)比較器門限電平為VREF(7V)的105.5％，可在外部利用電阻分壓器來(lái)編程。該引腳又是IC“休眠”模式使能端。只要將該引腳上的電壓拉低到O.62 V以下,“休眠”模式就被激活。
腳5(COMP)：電壓環(huán)路補(bǔ)償。該引腳是內(nèi)部電壓誤差放大器輸出，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，該引腳將經(jīng)過(guò)內(nèi)部電阻器放電。
腳6(VFB)：輸出電壓反饋。PFC升壓變換器DC輸出電壓利用電阻分壓器采樣,經(jīng)該引腳輸入到內(nèi)部電壓誤差放大器反相端。電壓誤差放大器為運(yùn)算跨導(dǎo)放大器(0TA)。
腳7(VCC)：供電電壓。該引腳導(dǎo)通閾值VCC(on)典型值為12.7 V,關(guān)斷門限VCC(UVLO)為10.7V。
腳8(CATE)：柵極驅(qū)動(dòng)器輸出，提供1.5A的峰值驅(qū)動(dòng)電流。
IRll50的推薦工作條件如下：
電源電壓VCC:15 V~20 V(典型值為18 V)；
開(kāi)關(guān)頻率fSW:50 kHz~200 kHz；
頻率設(shè)置電阻RSET:165 kΩ～37 kΩ；
結(jié)溫TJ:-25℃～+125℃；
工作溫度TA:O℃～70℃。

3 工作原理與工作狀態(tài)轉(zhuǎn)接
圖2所示為IRll50的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。

與傳統(tǒng)CCM-PFC控制器比較,IRll50不含輸入電壓檢測(cè)、模擬乘法器及定頻三角波振蕩器。IRll50采用單周期控制技術(shù)從根本上替代了常規(guī)CCM-PFC解決方案。IRll50引入一種帶有復(fù)位電路的專用整合器控制單元，使電壓誤差放大器輸出疊加在每個(gè)時(shí)鐘周期上，產(chǎn)生可變的三角波。這種三角波與誤差電壓波形比較,并從電流檢測(cè)信號(hào)中扣除,產(chǎn)生PWM柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
IRll50工作利用兩個(gè)環(huán)路:一個(gè)是電流環(huán)路，另一個(gè)是電壓環(huán)路。內(nèi)部電流環(huán)路是快速和可靠的，電流參考的產(chǎn)生不需要輸入電壓檢測(cè)。電流環(huán)路利用嵌入的輸入電壓信號(hào)迫使平均輸入電流隨輸入電壓瞬時(shí)變化。外部電壓環(huán)路控制PFC升壓變換器的DC輸出電壓。電壓誤差放大器產(chǎn)生的輸出電壓直接控制積分器斜坡信號(hào)的斜率和平均輸入電流的幅度。二個(gè)控制環(huán)路結(jié)合的結(jié)果，使AC輸入平均電流(即經(jīng)輸入高頻旁路電容器和EMI濾波器后的低頻電流)與AC輸入電壓成正比，并且呈正弦波形，與輸入電壓保持同相位，從而產(chǎn)生幾乎等于1的功率因數(shù)。當(dāng)變換器在輕載下工作時(shí)，在AC線路電壓過(guò)零附近的電流波形將出現(xiàn)一定的失真，但所產(chǎn)生的諧波電流仍可在IECl000-3-2標(biāo)準(zhǔn)的D類限值之內(nèi)。
IRll50的工作狀態(tài)包括欠電壓鎖定(UVL0)模式、待機(jī)模式、軟啟動(dòng)模式、正常操作模式、故障保護(hù)模式和睡眠模式等，具體運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)接圖如圖3所示。

4 典型應(yīng)用電路
圖4所示為基于IRll50型控制器的300W有源PFC升壓變換器電路。這種PFC預(yù)調(diào)節(jié)器適用于國(guó)際通用的AC線路輸入，DC輸出為377 V，用作開(kāi)關(guān)電源或電子鎮(zhèn)流器的前端電路。輸入端的Cl、R1、Ll、C2組成EMI濾波器。由于PFC電路工作于CCM,可以降低峰值電感電流(IL)，可降低了對(duì)EMI濾波器的要求。電容器C3用于高頻電感電流旁路，從而得到低頻(50 Hz或60Hz)平均電流(即AC輸入電流)。L2為升壓電感器，MOSFET(V1)為PFC開(kāi)關(guān)，VD2為升壓二極管，C5為輸出電容器。IRll50引腳2上的外部電阻器R4(60.4 kΩ)用作設(shè)置開(kāi)關(guān)頻率(100 kHz)。Rs(0.1Ω)為電流檢測(cè)電阻器。IR1150引腳3上的外部電阻器R3和C7組成預(yù)濾波電路。IRll50引腳5上的外部電阻器R5和電容器C8、C9提供電壓環(huán)路補(bǔ)償。

由R9、R10和R1l組成的電阻分壓器用作輸出電壓反饋采樣。在正常工作狀態(tài)下，饋入VFB引腳的電壓VFB為7 V(等于VFB引腳內(nèi)部電壓誤差放大器同相端上的參考電壓VREF)。由R12、R13、R14組成的電阻分壓器用作輸出過(guò)電壓保護(hù)取樣。IRll50引腳4上的過(guò)電壓保護(hù)門限電平為7.385 V (即105.5％VREF)。只要PFC升壓變換器輸出電壓超過(guò)412 V，反饋到IRll50引腳4上的電壓就會(huì)超過(guò)7.385 V的閾值電平，器件則進(jìn)入過(guò)電壓保護(hù)模式。
IRll50的VCC電壓(15 V～20 V)可以從電感器L2的附加繞組和二極管組成的輔助電源獲得(圖4中未畫(huà)出)。圖4所示的PFC升壓變換器電路的線路功率因數(shù)達(dá)O.995以上,總諧波失真THD僅約4％,符合IECl000-3-2標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)
IR1150 CCM-PFC控制器采用單周期控制專有技術(shù)，在75 W~4 kW的高功率密度應(yīng)用中，可將PCB面積縮減50％。IRll50能以DCM或CRM的簡(jiǎn)單電路實(shí)現(xiàn)CCM電路的高性能，從而為計(jì)算機(jī)、家用電器和其他消費(fèi)類電子產(chǎn)品提供簡(jiǎn)便、靈活、低成本和高功率密度的解決方案。