采用PFC預(yù)調(diào)節(jié)器加速啟動

通常，我們會利用一個(gè)低電壓環(huán)路（參見圖 2）對功率因數(shù)校正 (PFC) 預(yù)調(diào)節(jié)器升壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)行補(bǔ)償，以降低輸入電流總諧波失真 (THD)。在大多數(shù)應(yīng)用中，PFC 預(yù)調(diào)節(jié)器的小信號電壓環(huán)路的設(shè)計(jì)以低于十七分之一的線頻率進(jìn)行電壓交叉 (cross over)。在一個(gè)線頻率為 60-Hz 的離線轉(zhuǎn)換器中，電壓環(huán)路以低于 10Hz 的頻率進(jìn)行電壓交叉。圖 3 顯示了線頻率為 60-Hz 的 PFC 預(yù)調(diào)節(jié)器離線工作時(shí)，其典型的電壓環(huán)路頻率響應(yīng)情況。

圖 2 電壓環(huán)路控制結(jié)構(gòu)圖(點(diǎn)擊放大圖片)

圖 3 電壓環(huán)路頻率響應(yīng)(點(diǎn)擊放大圖片)

對于電源設(shè)計(jì)人員來說，電壓環(huán)路的小信號帶寬是一個(gè)非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。該環(huán)路對小信號變化響應(yīng)的最短時(shí)間大約為 100ms，而該環(huán)路對大信號變化響應(yīng)的時(shí)間可能要花上數(shù)百毫秒，如啟動時(shí)的信號變化。啟動期間，由于電壓環(huán)路對大信號瞬態(tài)響應(yīng)的校正不夠快，因此可能會出現(xiàn)升壓電壓過沖現(xiàn)象。為了避免上電時(shí)的過沖現(xiàn)象，電源設(shè)計(jì)人員可能不得不緩慢地調(diào)高輸出電壓。這種情況一般是通過使用軟啟動 (SS) 功能來實(shí)現(xiàn)，大多數(shù)先進(jìn)的脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 控制器都具備這一功能。

典型 PFC 的應(yīng)用評論

PFC 預(yù)調(diào)節(jié)器是兩級功率系統(tǒng)中特有的部分。第一級為一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器通過平均電流模式控制得到輸入電流波形，以實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)。要使升壓轉(zhuǎn)換器能正常運(yùn)行，這就需要一個(gè)高于輸入電壓的輸出電壓，并且第二級需要對該電壓進(jìn)行降壓，使其成為可用輸出電壓。

圖 4 典型的具有 PFC 預(yù)調(diào)節(jié)器的兩級系統(tǒng)(點(diǎn)擊放大圖片)

圖 1（見最后一頁）所示原理圖表明，PFC 預(yù)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)用于在脫離通用線電壓（如 85Vrms 至 265Vrms 之間）的情況下運(yùn)行，并將 DC 輸出調(diào)節(jié)為 385v 和 250w。第二個(gè)功率級一般位于這個(gè)預(yù)調(diào)節(jié)器的下游，該預(yù)調(diào)節(jié)器是專門設(shè)計(jì)用于在輸入電壓為其輸出電壓的 75% 時(shí)正常工作，這樣便可以應(yīng)對“欠壓”的情況。

所帶來的挑戰(zhàn)

在一些應(yīng)用中，設(shè)計(jì)工作需要一個(gè)快速啟動，而并不會選擇緩慢的升壓。加速軟啟動最大的問題是由升壓引起的過沖現(xiàn)象：圖 1 所示的升壓電容 (C12) 電氣應(yīng)力。

需要設(shè)計(jì)一個(gè)如圖 1 所示的電路來實(shí)現(xiàn)在 300ms 時(shí)間以內(nèi)的軟啟動。設(shè)計(jì)方面的要求是在 300ms 時(shí)間內(nèi)升壓不超過其目標(biāo)輸出電壓的 75%。圖 5 的波形反應(yīng)了該設(shè)計(jì)的軟啟動特性。CH1 是指輸出電壓 (Vout)，CH2 是指電壓放大器輸出電壓 (VAOUT)，CH3 是指軟啟動 (SS) 電壓，而 CH4 則是指來自 UCC3817 的DRVOUT 引腳的柵極驅(qū)動信號。UCC3817 控制升壓開關(guān) Q1。

圖 5 典型的 PFC 預(yù)調(diào)節(jié)器啟動行為

該電源的設(shè)計(jì)，是為了使輸出電壓 (Vout) 跟蹤 UCC3817 PFC 控制器引腳 13 處的軟啟動 (SS) 電壓。但是，由于轉(zhuǎn)換器的電壓環(huán)路響應(yīng)較慢，輸出電壓并沒有跟蹤 SS，而是在上電過程中出現(xiàn)過沖，并達(dá)到將近 13% 的過沖量，大約 435V 的峰值。從圖 3 的波形可以觀察到，控制 IC 的軟啟動功能運(yùn)行正常。輸出電壓和 VAOUT 會跟蹤軟啟動，一直到輸出電壓達(dá)到 385V。一旦 VOUT 超過 385V，由于需要一個(gè)最小的占空比，電壓放大器輸出會降低，但是電壓環(huán)路響應(yīng)太慢而無法避免出現(xiàn)過沖現(xiàn)象。

解決方案

圖 6 所示的簡易電路可以用于消除過沖現(xiàn)象，并加速電源啟動特性。通過去除 R3 和 C4 并連接額外電路，便可實(shí)現(xiàn)這樣的電路。如欲了解完整的電路實(shí)施過程，請參見圖 1 和圖 6。

圖 6 過沖抑制電路

工作原理

電壓環(huán)路會將 VSENSE 引腳電壓調(diào)節(jié)到大約 7.5V。電路的功能是加載一個(gè) 2V 電壓至 VSENSE 引腳，該引腳在上電期間會欺騙 (fooling) 電壓放大器。當(dāng)升壓達(dá)到其調(diào)節(jié)輸出電壓的 75% 時(shí)，這種做法將會導(dǎo)致 Q1 的柵極驅(qū)動關(guān)閉，從而降低上電期間輸出端的過沖峰值數(shù)量。

該電路充分利用了軟啟動功能，許多 PWM 控制集成電路都有這樣的功能。PWM 控制器的軟啟動 (SS) 引腳會提供 10A 的充電電流，當(dāng) SS 引腳電壓達(dá)到一個(gè) 5-V 直流電的電平時(shí)，才會停止提供充電電流。二極管 DA、晶體管 QA 和 QB 以及電容器 C4 共同構(gòu)成了電路時(shí)序。在對電容器 C4 進(jìn)行充電時(shí)，晶體管 QA 開啟，使 PNP 晶體管 QB 柵極電壓下降。分壓器是由 RB、RC 和 R3A 以及二極管 DB 組成，在上電期間可以通過其依次給 VSENSE 引腳加載一個(gè)大約 2V 的電壓。待電容器 CA 完全充電后，晶體管 QA 關(guān)閉，從而使電路失效。

電路實(shí)施

將圖 6 的電路添加到圖 1 所示的升壓調(diào)節(jié)器中。圖 7 所示的示波器圖表明了升壓調(diào)節(jié)器的啟動特性。CH1 是指輸出電壓 (Vout)，CH2 是指電壓放大器輸出電壓 (VAOUT)，CH3 是指軟啟動 (SS) 電壓，而 CH4 則是指來自 UCC3817 的 DRVOUT 引腳的柵極驅(qū)動信號。UCC3817 控制升壓開關(guān) Q1。在該波形中，我們可以觀察到該電路是符合設(shè)計(jì)要求的。升壓電壓絕不能高于 385V，并且要在 300ms 時(shí)間內(nèi)被調(diào)節(jié)至額定電壓的 75%。

圖 7 具有過沖抑制電路的啟動

結(jié)論

為了滿足 THD 和 PF 要求，PFC 預(yù)調(diào)節(jié)器的環(huán)路頻率通常約為 10Hz。電壓環(huán)路需要近 500ms 的時(shí)間來對大信號瞬態(tài)進(jìn)行響應(yīng)，例如：啟動等。為了解決該問題，電源設(shè)計(jì)人員通常的做法是，使他們設(shè)計(jì)的軟啟動功能變慢。然而，使用上述簡易電路不但可以減少過沖現(xiàn)象，而且還可以縮短預(yù)調(diào)節(jié)器上電的時(shí)間。

作者簡介

John Bottrill 現(xiàn)任 TI 電源轉(zhuǎn)換產(chǎn)品部高級應(yīng)用工程師。他畢業(yè)于加拿大金斯敦皇后大學(xué) (Queen's University)，獲電子工程理學(xué)士學(xué)位。如欲聯(lián)系作者，請發(fā)送郵件至 john_bottrill@ti.com。

Michael O’Loughlin 現(xiàn)任 TI 高性能模擬產(chǎn)品部消費(fèi)類電子應(yīng)用工程師。他畢業(yè)于麻塞諸塞州立大學(xué) (University of Massachusetts)，獲電子工程理學(xué)士學(xué)位。如欲聯(lián)系作者，請發(fā)送郵件至 michael_oloughlin@ti.com。

圖 1 典型的 PFC 應(yīng)用