使用NCP1623A設(shè)計(jì)緊湊高效的PFC級(jí)的IC控制電路設(shè)計(jì)
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
之前我們介紹過快速設(shè)計(jì)由 NCP1623 驅(qū)動(dòng)的 CrM/DCM PFC 級(jí)的關(guān)鍵步驟中的定義關(guān)鍵規(guī)格與功率級(jí)設(shè)計(jì)。本文將詳細(xì)說明IC控制電路設(shè)計(jì)中的細(xì)節(jié)：FB引腳電路、VCTRL 引腳電路、CS/ZCD 引腳電路、CSZCD電阻器設(shè)計(jì)等內(nèi)容。
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/202304/445952.htm步驟 3：IC 控制電路設(shè)計(jì)
如圖 1 所示，反饋配置包括：
● 一個(gè)電阻分壓器，用于降低體電壓，以向 FB 引腳提供反饋信號(hào)。出于安全考慮，分壓器的上層電阻通常由兩個(gè)或三個(gè)電阻構(gòu)成。否則，RFB1 的任何意外短接都會(huì)將輸出高電壓施加到控制器上并將其破壞。
● 一個(gè)濾波電容器，通常置于 FB 引腳與接地之間，以防開關(guān)噪聲令反饋信號(hào)失真。通常使用的是 1?nF 電容。一般來說，與線路電阻相比，它與反饋電阻形成的極點(diǎn)必須保持在非常高的頻率上。實(shí)際上，
（公式18）
通常會(huì)得到較好的結(jié)果。
圖 1：系統(tǒng)板的電路圖
● 一個(gè) 2 型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。該電路由兩個(gè)電容和一個(gè)電阻構(gòu)成，用于設(shè)置交越頻率和環(huán)路特性。
A 版本 (NCP1623A) 具有輸入電壓跟隨升壓(follower boost)功能。該技術(shù)涉及到降低輸出電壓，以優(yōu)化 PFC 級(jí)效率并顯著壓縮其尺寸和成本。特別地，它可以顯著降低升壓電感和 MOSFET 損耗。由于輸出電壓必須要高于線路電壓，因此只有在低壓下輸出電壓才會(huì)降低，而在高壓條件下，輸出電壓將調(diào)節(jié)至默認(rèn)標(biāo)稱電壓（Vout,nom 通常設(shè)置為 400V 左右）。實(shí)際上，NCP1623A 通過反饋引腳控制這一 2 級(jí)輸入電壓跟隨升壓(follower boost)操作，而反饋引腳會(huì)拉動(dòng)僅在低壓下啟用的電流 IFB(LL)（通常為 25 μA）。
如數(shù)據(jù)表中所述，這將產(chǎn)生以下調(diào)節(jié)電壓：
● 高壓線輸出電壓 Vout,HL = Vout,nom：
（公式19）
● 低壓線輸出電壓 Vout,LL：
（公式20）
根據(jù)應(yīng)用中高低壓線的輸出電壓規(guī)格，反饋電阻值可通過下式獲得：
● 上層反饋電阻 RFB1
（公式21）
● 下層反饋電阻 RFB2
（公式22）
選擇RFB1和RFB2后，F(xiàn)B引腳的相關(guān)功能在我們的應(yīng)用中將定義如下：
● 反饋電阻比 KFB：
（公式23）
● 輸入電壓跟隨升壓(follower boost)失調(diào)電壓 VOFF(LL)：
（公式24）
● 高壓下的 DRE 進(jìn)入/退出 VOUT ：
（公式25）
進(jìn)入：2.5 · 95.5% · 157 ≈ 375 V
退出：2.5 · 97.5% · 157 ≈ 383 V
● 低壓下的 DRE 進(jìn)入/退出 VOUT ：
（公式26）
進(jìn)入：2.5 · 95.5% · 157 ? 140 ≈ 235 V
退出：2.5 · 97.5% · 157 ? 140 ≈ 243 V
● 高壓下的 SOVP 進(jìn)入/退出 VOUT ：
（公式27）
進(jìn)入：2.5 V · 105% · 157 ≈ 412 V
退出：2.5 V · 103% · 157 ≈ 404 V
● 低壓下的 SOVP 進(jìn)入/退出 VOUT ：
（公式28）
進(jìn)入：2.5 V · 110% · 157 ? 140 ≈ 292 V
退出：2.5 V · 108% · 157 ? 140 ≈ 284 V
● 高壓下的 FOVP 進(jìn)入/退出 VOUT ：
（公式29）
進(jìn)入：2.5 V · 107% · 157 ≈ 420 V
● 低壓下的 FOVP 進(jìn)入/退出 VOUT ：
（公式30）
進(jìn)入：2.5 V · 114% · 157 ? 140 ≈ 307 V
退出：2.5 V · 112% · 157 ? 140 ≈ 300 V
● 高壓下的 UVP 進(jìn)入/退出 VOUT ：
（公式31）
進(jìn)入：0.3 V · 157 ≈ 47 V
● 低壓下的 UVP 進(jìn)入/退出 VOUT ：
（公式32）
進(jìn)入：1.2 V · 157 ? 140 ≈ 48 V
退出：1.3 V · 157? 140 ≈ 64 V
VCTRL引腳電路
為了找到“控制到輸出”傳遞函數(shù)，輸出電壓將用輸出電流和輸出阻抗的乘積來定義。使用公式 2 并假設(shè)效率為 100%，輸出電流由下式給出：
（公式33）
基于以下公式，輸出電壓與輸出電流的偏微分等效于輸出負(fù)載電阻 Rload：
（公式34）
因此，輸出阻抗中可以包括 δiout / δvout，而總輸出阻抗為：
（公式35）
控制電壓與輸出電流的偏微分為：
（公式36）
因此，“控制到輸出”傳遞函數(shù)的定義如下：
（公式37）
其中，在 A 版本中，Ton.max 在低壓下為 12.5 μs，在高壓下為 5 μs，而 G0 為靜態(tài)增益。
通過 FB 電阻網(wǎng)絡(luò)比、OTA 跨導(dǎo)和 VCTRL 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)獲得“輸出到控制”傳遞函數(shù)，如下所示：
（公式38）
其中 ictrl 是 OTA 輸出電流，而 zctrl(s) 是 VCTRL 補(bǔ)償電路阻抗。
OTA 輸出電流定義如下：
（公式39）
其中 GEA 是 OTA 跨導(dǎo)增益，而 Vout 是直流輸出電壓。
使用公式 38 和公式 39，“控制到輸出”傳遞函數(shù)可通過下式獲得：
（公式40）
其中 R0 = Vout / (VREF · GEA)，而補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)電路是 CZ、RZ 和 CP ( << CZ )，如圖 2 所示。
圖 2：FB 和 VCTRL 電路
公式 37 中的極點(diǎn)和公式 40 中的零點(diǎn)位置相近，交越頻率 fC 位于公式 40 中零點(diǎn)和第二極點(diǎn)之間。相位裕量 m（弧度）由 CP 調(diào)整。由此，我們得到以下公式：
● 反饋零電容 CZ：
（公式41）
● 反饋零電阻 RZ：
（公式42）
● 反饋極點(diǎn)電容 CP：
（公式43）
負(fù)載電阻 Rload 通過下式計(jì)算：
（公式44）
交越頻率 fC 應(yīng)高于 PFC 升壓級(jí)極點(diǎn) fP：
（公式45）
最高交越頻率的條件是相位裕量的最壞情況，其中線路電壓為高值，以增大“控制到輸出”傳遞函數(shù)的帶寬。如果應(yīng)用中的目標(biāo)是 25?Hz 的交越頻率和 60° 的相位裕量（π/3 弧度），則采用的是：
（公式46）
CS/ZCD引腳電路
如果電流檢測(cè)電阻兩端的電壓超過 0.5 V，電路就會(huì)檢測(cè)到過流情況。因此：
（公式47）
將公式 6 中的結(jié)果合并，得到：
（公式48）
在實(shí)際情況中，將選擇 0.12Ω 電阻以保持一定的裕量。RSENSE 損耗可使用公式 10 進(jìn)行計(jì)算（用 RSENSE 取代 RDS(on)），由此得到 MOSFET 導(dǎo)通損耗：
（公式49）
可以看到，0.12Ω 的電流檢測(cè)電阻在滿載、低壓條件下將消耗約 124 mW。
圖 3：ZCD 漏極感測(cè)
基于漏極感測(cè)的 ZCD 電路如圖 3 所示。漏電壓由 CS 電阻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行感測(cè)，并由 KCS 按比例降低：
（公式50）
其中 KCS 為 133，而 RCS2 一般為 22 k。
RCS1 和 RCS2的值必須選擇高值，以免在待機(jī)期間的功耗過高。在待機(jī)期間沒有開關(guān)，RCS1 與 RCS2 串聯(lián)的電壓為恒定電壓，等于 Vmains,rms · √2。待機(jī)功耗由下式給出：
（公式51）
NCP1623 在 CS/ZCD 引腳上集成了前沿消隱，從而免除了濾波電容器。CS/ZCD 電路中不允許有電容器，因?yàn)檫@會(huì)造成 CS/ZCD 信號(hào)失真，從而導(dǎo)致錯(cuò)誤或無法進(jìn)行 ZCD 檢測(cè)。使用示波器探針來探測(cè) CS/ZCD 信號(hào)時(shí)必須要小心，因?yàn)槭静ㄆ魈结樛ǔ?huì)增加 10?pF 的電容。
在升壓轉(zhuǎn)換器中，升壓電感器一個(gè)引腳的平均漏電壓等于升壓電感器另一個(gè)引腳上的 Vin 電壓，這是因?yàn)椋喝绻雎噪姼衅鞯拇?lián)電阻，電感器兩端的平均電壓降在伏秒平衡中為零伏特。因此，要計(jì)算 VCS/ZCD 的平均值來獲得輸入電壓信息。
平均 VCS/ZCD、VSNS 被用在 ZCD、線路檢測(cè)、OVP2（僅限 C 版本）和掉電檢測(cè)（在 A 和 C 版本中禁用）中，如下所示：
● 線路檢測(cè)閾值：
（公式52）
（公式53）
● OVP2 閾值（僅限 C 版本）：
（公式54）
● 掉電閾值（在 A 和 C 版本中禁用）：
（公式55）
（公式56）
圖 4：輔助ZCD 繞組感測(cè)
可以使用圖 4 所示的電路圖來生成 CS/ZCD 引腳的信號(hào)。借助輔助繞組電壓電容 CAUX、 RAUX 和 DAUX，可以在 DAUX 的陰極生成一個(gè)電壓，其大小為功率 MOSFET 漏電壓乘以輔助 (NAUX) 與初級(jí) (NPRI) 變壓器匝數(shù)比之積。之前所述的參數(shù) KCS 現(xiàn)在定義如下：
（公式57）
其中 KCS 為 133，NPRI/NAUX 為 10，而 RCS2 一般為 62 kΩ。
通過這種方法可以傳遞較低的電壓，并且低 RCS1 值也降低了對(duì)寄生電容的靈敏度。
該電路的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在待機(jī)期間沒有電流消耗（沒有開關(guān)活動(dòng)，因此也就沒有 Vaux 電壓）。
必須提請(qǐng)注意的是，激活了掉電功能的產(chǎn)品版本無法使用此電路。當(dāng)功率 MOSFET 漏電壓用于 ZCD 時(shí)，其他所有情況均與所述的完全相同。
CSZCD電阻器設(shè)計(jì)指南
當(dāng) RCS電阻橋在漏極感測(cè)電路（如圖 3）處的總電阻位于 M 范圍內(nèi)時(shí)，它對(duì)低至幾百 fF 的寄生電容非常敏感。寄生電容可以是從 RCS電阻器節(jié)點(diǎn)到 GND 或功率 MOSFET 漏極。這些寄生電容效應(yīng)可導(dǎo)致永久性錯(cuò)誤故障檢測(cè)事件：OCP、OVS 或 OVP2 的觸發(fā)，從而使控制器無法正常運(yùn)行。
避免寄生電容效應(yīng)的一種簡(jiǎn)單方法是減小電阻器的值，同時(shí)讓分頻比 KCS保持在 133 左右。降低 CS/ZCD 橋電阻值 (RCS1 + RCS2 ) 是以高待機(jī)功耗為代價(jià)的。
如果圖 3 中的 RCS1a + RCS1b + RCS1c 應(yīng)高于 5M，建議在漏極側(cè)設(shè)置一個(gè) 500?V SMD 高值電阻器（如 RCS1a = 5.1 M），并串聯(lián)兩個(gè)低值 200?V SMT 電阻器（如 RCS1b = RCS1c= 240 k）。這是為了避免連接到 GND 的電阻器間電容在 FET 導(dǎo)通周期之前難以放電。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，不建議使用 3 個(gè)等值電阻器來平衡漏電壓。
測(cè)試臺(tái)上的實(shí)驗(yàn)已證明，SMD1206 和 0805 在寄生電容方面要優(yōu)于槽孔電阻器。
RCS1 和 RCS2 必須盡可能靠近 CS/ZCD 引腳。連接 RCS 電阻器的 PCB 走線必須盡可能短，且走線的寬度要盡可能?。ㄗ钚〖纳娙荩Ｗ詈迷?RCS 電阻器和 DRV、VIN、VDRAIN 銅走線之間保持 1 cm 的安全距離，以避免耦合。
布局和抗擾度注意事項(xiàng)
NCP1623 對(duì)噪聲不是特別敏感。
不過，常規(guī)的電源設(shè)計(jì)布局規(guī)則還是適用的。提請(qǐng)注意以下幾點(diǎn)：
● 必須最大程度降低功率傳輸回路的環(huán)路面積。
● 電源接地（用于提供電流回路路徑）的星形配置。
● 電路接地的星形配置。
● 電路接地和電源接地應(yīng)通過一條單獨(dú)的路徑進(jìn)行連接，不允許有環(huán)路。
● 該路徑最好滿足以下條件：在非?？拷娏鳈z測(cè)電阻 (RSENSE) 的接地端子的位置將電路接地連接到電源接地。
● 應(yīng)在電路 VCC 和 GND 引腳之間放置一個(gè) 100 或 220?nF 的電容，并確保連接長度最小。
● RCS 電阻器必須盡可能靠近 CS/ZCD 引腳，且必須避免與 GND 或任何其他信號(hào)有電容耦合。
● 建議在 FB 引腳上放置一個(gè)濾波電容器，以保護(hù)引腳免受周圍噪聲的影響。不過，該電容必須要很小，不能讓 FB 引腳檢測(cè)到的電壓出現(xiàn)失真。
總結(jié)
表 1：主要公式
表 1.主要公式（續(xù)）
圖 5：100W 設(shè)計(jì)的系統(tǒng)電路圖
評(píng)論