中心議題：
- 電源的臨界導(dǎo)電模式工作
- 增強(qiáng)電源設(shè)計(jì)中PFC段性能的方法
解決方案：
- 零電流檢測(cè)
- 極高輸入線路時(shí)的不精確零電流檢測(cè)
- 改善高線路工作的簡(jiǎn)單調(diào)整方法
大多數(shù)的現(xiàn)代電源都要求從輸入線路所吸收的電流包含諧波含量。實(shí)際上，規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求線路電流接近正弦波形，而且相位與線路電壓同相。為此，通常在橋電路與大電容之間插入所謂的PFC預(yù)穩(wěn)壓器。這個(gè)中間段設(shè)計(jì)輸出恒定的直流電壓，同時(shí)從輸入線路吸收正弦電流。PFC段通常采用升壓配置，要求輸出電壓比線路可能最高的電壓電平都要高。這就是為什么歐洲或是通用主電源輸入條件下輸出穩(wěn)壓電平普遍設(shè)定在約390V的原因。
對(duì)于較低功率的應(yīng)用而言，臨界導(dǎo)電模式(CrM)(也稱作邊界、邊界線甚至是瞬態(tài)導(dǎo)電模式)通常是首選的控制技術(shù)。本文將說明解決這種問題的方法。PFC段一個(gè)更加常見的問題是通常發(fā)生在啟動(dòng)時(shí)的大電流過沖，而不論采用的是何種控制技術(shù)。
臨界導(dǎo)電模式工作
臨界導(dǎo)電模式(CrM)工作是低功率應(yīng)用中最常見的解決方案。這種控制方法可以采用可變頻率控制原理來描述特征，即電感電流先上升至所需線路電流的2倍，然后下降至零，接著再上升至正電流，期間沒有死區(qū)時(shí)間(dead-time)，如圖1所示。這種控制方法需要電路精確地檢測(cè)電感的磁芯復(fù)位。
圖1 臨界導(dǎo)電模式工作
零電流檢測(cè)
確定退磁完成的常見解決方案在于感測(cè)電感電壓，更具體地說，就是檢測(cè)電感電壓何時(shí)降至零。監(jiān)測(cè)線圈電壓并非經(jīng)濟(jì)的解決方案。相反，這升壓電感與小型繞組相關(guān)，這繞組(稱作“零電壓檢測(cè)器”或ZCD繞組)提供了電感電壓的一個(gè)縮小版本，能夠用于控制器上，如圖2所示。ZCD繞組采用耦合形式，因而它在MOSFET導(dǎo)電時(shí)間(反激配置)期間呈現(xiàn)出負(fù)電壓，如圖3中所示。這繞組提供：
VAUX=-NVIN，當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時(shí);
VAUX=N(VOUT-VIN)，當(dāng)MOSFET開路時(shí)。
其中，N是輔助繞組與主繞組之間的匝數(shù)比。
圖2 NCP1607驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用段典型應(yīng)用示意圖
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當(dāng)ZCD電壓(VAUX)開始下降時(shí)線圈電流會(huì)達(dá)到零。許多CrM控制器內(nèi)部比較VAUX與接近0V的ZCD參考電壓，檢測(cè)出下降沿，并準(zhǔn)時(shí)啟動(dòng)下一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。為了實(shí)現(xiàn)強(qiáng)固的工作，應(yīng)用了磁滯機(jī)制，并實(shí)際上產(chǎn)生較高的(upper)閾值(VAUX上升時(shí)有效)及較低的(lower)閾值(VAUX下降時(shí)有效)。出于不同原因(如安森美半導(dǎo)體NCP1607 PFC控制器中的ZCD引腳的多功能性)，在大多數(shù)商用器件中這些閾值都相對(duì)較高(在1V及2V之間)。
例如，NCP1607數(shù)據(jù)表中可以發(fā)現(xiàn)下述的ZCD閾值規(guī)范(引腳5是監(jiān)測(cè)ZCD信號(hào)的電路)。
Vpin5上升：最低值為2.1V，典型值為2.3V，最大值為2.5V;
Vpin5下降：最低值為1.5V，典型值為1.6V，最大值為1.8V。
要恰當(dāng)?shù)貦z測(cè)零電流，VAUX信號(hào)必須高于較高的閾值。
圖3 波形
極高輸入線路時(shí)的不精確零電流檢測(cè)
圖4及圖5顯示出在高線路時(shí)會(huì)面對(duì)的一個(gè)問題。VAUX電壓在退磁相位期間較小，而這時(shí)Vin較高，因?yàn)閂AUX與輸出輸入電壓差成正比VAUX=N(VOUT-VIN)。此外，如圖4所示，輸入電壓在開關(guān)頻率呈現(xiàn)出交流含量。因此，VAUX波形并不平坦，相反，它還包含紋波。在低線路時(shí)，這紋波可以忽略不計(jì)。在高線路時(shí)，VAUX幅度在退磁相位期間較小。因此，這些振蕩可能大到足以導(dǎo)致過早檢測(cè)電感磁芯復(fù)位。事實(shí)上，如圖4和圖5所示的那樣，零電流檢測(cè)的精度降低了。
圖4 不精確零電流檢測(cè)導(dǎo)致的不穩(wěn)定性
圖5 連續(xù)導(dǎo)電模式工作
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圖4顯示出現(xiàn)不穩(wěn)定性問題時(shí)高輸入線路(正弦波頂端，此處Vin約為380V)下的VAUX電壓。我們可以看到MOSFET關(guān)閉時(shí)，VAUX電壓輕微躍升至高于ZCD閾值。由于其大紋波的緣故，在退磁相位期間，VAUX電壓首先增加，然后下降。由于在某些開關(guān)周期的末段VAUX接近ZCD閾值，這VAUX電壓下降導(dǎo)致零電壓比較器在電感磁芯完全復(fù)位前就翻轉(zhuǎn)(trip)。圖5證實(shí)了這一論斷。有時(shí)，升壓二極管仍在導(dǎo)電時(shí)，PFC段開始新的周期。這個(gè)現(xiàn)象主要導(dǎo)致線路電流失真(見紅色跡線)、功率因數(shù)退化，并可能有一些頻率處在人耳可聽到的噪聲。
改善高線路工作的簡(jiǎn)單調(diào)整方法
如圖6所示，在VCC與引腳5(ZCD引腳)之間布設(shè)一顆電阻，能夠減輕或抑制這個(gè)現(xiàn)象。這樣一來，ZCD引腳上就產(chǎn)生了偏置。
圖6 ZCD引腳上的調(diào)整
在測(cè)試的應(yīng)用中，VCC為15V，且Rzcd=68kΩ。在VCC與引腳5之間增加一顆電阻Roff=680kΩ，就改變了施加在引腳5(ZCD引腳)上的電壓。退磁相位期間ZCD引腳上施加的實(shí)際VAUX電壓就變?yōu)椋?br />
(1)
然后，施加在引腳5上的電壓就偏置。事實(shí)上，這就像是VAUX電壓與減小了1.36V的ZCD閾值比較。這樣一來，新的實(shí)際ZCD閾值就是：
Vpin5上升：最低值為0.74V，典型值為0.94V,最大值為1.14V;
Vpin5下降：最低值為0.14V，典型值為0.24V,最大值為0.44V。
這些降低的ZCD閾值增加了ZCD的精度，并能抑制CCM工作，在相同條件下獲得的波特圖(見圖7)就證實(shí)了這一點(diǎn)。
圖7 調(diào)整改善器件工作
必須注意，Vpin5下降(我們的案例中是1.5V)時(shí)，偏置必須保持在低于ZCD最低閾值。這是為了確保新的實(shí)際ZCD閾值(Vpin5下降時(shí)) 保持高于0V。否則，系統(tǒng)可能難于檢測(cè)磁芯復(fù)位并因此啟動(dòng)新的開關(guān)序列。出于這個(gè)目的，應(yīng)當(dāng)考慮到VCC的變化。
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啟動(dòng)時(shí)的大過沖
PFC段從輸入線路正弦波電壓源吸收正弦電流，因此，它們?yōu)樨?fù)載提供僅匹配平均需求的方波正弦功率。輸出電容(大電容)“吸收”實(shí)際提供的功率與負(fù)載消耗的功率之差值。
- 饋送給負(fù)載的功率低于需求時(shí)，輸出電容放電，補(bǔ)償功率差額。
- 提供的功率超過負(fù)載功耗時(shí)，輸出電容充電，存儲(chǔ)多余的能量。
因此，輸出電壓呈現(xiàn)出輸入線路頻率2倍的低頻交流含量。不利的是，PFC電流整形(current-shaping)方法均基于控制信號(hào)無紋波的假設(shè)。否則，就不能夠優(yōu)化功率因數(shù)，因?yàn)檩斎刖€路電流重新復(fù)制了控制信號(hào)失真。這就是眾所周知的PFC電路動(dòng)態(tài)性能差的原因。它們的穩(wěn)壓環(huán)路帶寬設(shè)得極低，從而抑制100Hz或120Hz紋波，否則輸出電壓就會(huì)注入這紋波。
由于系統(tǒng)極慢，PFC段遭受陡峭的負(fù)載或輸入電壓變化時(shí)，會(huì)在大電容上呈現(xiàn)出大的過沖(over-shoot)或欠沖(under-shoot)。啟動(dòng)序列就是這些瞬態(tài)中的一種，能夠產(chǎn)生大的電壓過應(yīng)力(over-stress)。
圖8 輸出電壓紋波
圖9展示能在啟動(dòng)相位期間觀察到的那類過沖。這波特圖是使用由NCP1607驅(qū)動(dòng)、負(fù)載是下行轉(zhuǎn)換器的PFC段獲得的。
圖9 啟動(dòng)相位期間的過沖
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承受啟動(dòng)過沖
應(yīng)用軟啟動(dòng)是減小過沖的一種自然選擇。然而，設(shè)計(jì)人員所選擇的控制器并不必須具有這個(gè)功能特性。此外，從定義來看，這種功能減緩了啟動(dòng)速度，而這并非總是可以接受。
另外一種簡(jiǎn)單的選擇涉及在反饋感測(cè)電阻分壓器處增加一個(gè)電容，如圖10所示。在這個(gè)圖中，我們假定感測(cè)網(wǎng)絡(luò)中上部的電阻分割為兩個(gè)電阻，而電容Cfb并聯(lián)連接在其中一個(gè)電阻的兩端。
圖10 小幅調(diào)整反饋網(wǎng)絡(luò)
如果控制電路中嵌入了傳統(tǒng)的誤差放大器，讓我們分析電容Cfb的影響。在穩(wěn)態(tài)，Cfb改變了傳遞函數(shù)。通過檢測(cè)，我們立即注意到它增加了：
處于下述頻率的一個(gè)零點(diǎn)：
(2)
處于下述頻率的一個(gè)極點(diǎn)：
(3)
控制器集成了傳導(dǎo)誤差放大器(OTA)時(shí)，情況就有點(diǎn)不同。這是因?yàn)榉答佉_(誤差放大器的反相輸入)不再是虛接地(virtual ground)。因此，電阻分壓器中下部位置的電阻(RfbL)影響了極點(diǎn)頻率的表達(dá)式。實(shí)際上，采用OTA時(shí)：
(4)
然而，PFC輸出電壓的穩(wěn)壓電平通常處于390V范圍，而控制器參考電壓處在少數(shù)幾伏的范圍。因此，與(RfbU1+RfbU2)相比，RfbL極小;如果RfbU1與RfbU2處在相同范圍，或如果RfbU1小于RfbU2，我們就可以考慮：RfbL=RfbU2。事實(shí)上，設(shè)計(jì)人員基于這些考慮因素，能夠得出近似Cfb產(chǎn)生的極點(diǎn)頻率，即：
(5)
最后，兩種配置中都獲得相同的極點(diǎn)。
這些條件(RfbU1≈RfbU2)或(RfbU1≤RfbU2)并非限制性條件。相反，滿足這些條件是明智之舉，因?yàn)镽fbU1兩端的電壓及相應(yīng)的Cfb兩端的電壓取決于RfbU1值與(RfbU1+RfbU2+RfbL)總電阻值的相對(duì)比較關(guān)系。這就是為什么它們是現(xiàn)實(shí)可行的原因。
如果RfbU1與RfbU2這兩個(gè)電阻擁有類似阻值，
(6)
如果RfbL=RfbU2：
(7)
最后，如果與RfbU2相比RfbU1極小，我們就獲得在控制至輸出傳遞函數(shù)中抵消(cancel)的極點(diǎn)和零點(diǎn)。這樣，增加Cfb就對(duì)環(huán)路和交越頻率沒有影響。如果RfbU1與RfbU2處在相同范圍，低頻增益就略微增加，交越頻率就以跟fp與fz的相同比率增加。事實(shí)上，特別是在RfbL=RfbU2時(shí)，這個(gè)增加的電容并不會(huì)大幅改變PFC段的動(dòng)態(tài)性能。
然而，在啟動(dòng)相位期間，這個(gè)電容發(fā)揮重要作用。當(dāng)輸出電壓上升時(shí)，Cfb電容也充電。Cfb充電電流增加到反饋電流中，所以穩(wěn)壓電平臨時(shí)降低。這增加的電流與Cfb電容值成正比，并取決于輸出電壓的陡峭度，因此，在輸出電壓快速充電時(shí)，這個(gè)影響更引人注目。
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實(shí)際驗(yàn)證
在應(yīng)用中已經(jīng)測(cè)試了調(diào)整方法，反饋網(wǎng)絡(luò)如下所示：
RfbU1≈RfbU2=470kΩ
RfbL=6.2kΩ
電阻RfbU1兩端放置了一個(gè)100nF電容。它必須是一種高壓電容，因?yàn)槿粑覀兗俣ㄝ敵鲭妷鹤畲笾禐?50V，它兩端的電壓可能達(dá)到223V。作為一項(xiàng)經(jīng)驗(yàn)法則(rule of the thumb)，我們選擇了100nF電容值，這樣，在觀測(cè)到過沖時(shí)，時(shí)間常數(shù)(RfbU1Cfb)就處在啟動(dòng)時(shí)間的范圍之內(nèi)。
圖11比較沒有時(shí)的啟動(dòng)序列(左圖)與有Cfb時(shí)的啟動(dòng)相位(右圖)。這些波特圖清楚顯示電容的影響。Cfb充電電流人為地增加了輸出電壓(即圖中的Vbulk)充電期間的反饋電流，導(dǎo)致預(yù)期的控制信號(hào)(Vcontrol)放電。因此就沒有觀測(cè)到輸出電壓過沖。我們可進(jìn)一步指明，啟動(dòng)時(shí)間未受明顯影響。
圖11 有Cfb(左圖)及沒有Cfb(右圖)時(shí)的啟動(dòng)特性
圖12顯示了沒有Cfb時(shí)(左圖)及有Cfb時(shí)(右圖)PFC段對(duì)突兀的負(fù)載改變(120W階躍)的響應(yīng)。我們的案例中(RfbU1=RfbU2)，Cfb產(chǎn)生并不會(huì)相互抵消的額外極點(diǎn)及額外零點(diǎn)，且輕微改變環(huán)路特性。然而，最重要的是，采用Cfb還是改善了響應(yīng)，因?yàn)檩^大的輸出偏差(Output deviation)使這些負(fù)載階躍類似于啟動(dòng)瞬態(tài)。因此，Cfb在這里同樣幫助控制電路出現(xiàn)預(yù)料中的所期望的電平恢復(fù)。
圖12 沒有Cfb時(shí)(左圖)及有Cfb時(shí)(右圖)PFC段對(duì)負(fù)載階躍變化的響應(yīng)
結(jié)論
本文討論了如何解決PFC段經(jīng)常會(huì)面對(duì)的兩個(gè)問題。首先，在CrM應(yīng)用中，零電流檢測(cè)在高輸入線路時(shí)精度不高，而當(dāng)輸入線路電壓非常接近輸出電壓時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)某些不需要的連續(xù)導(dǎo)電模式周期，導(dǎo)致一些功率因數(shù)退化，及可能出現(xiàn)一些人耳可聽到的噪聲。能夠使用一顆簡(jiǎn)單的電阻來改善這功能。其次，在啟動(dòng)序列期間，PFC段也可能呈現(xiàn)出過大的過沖?？梢栽诜答伕袦y(cè)網(wǎng)絡(luò)中放置一顆電容來限制或抑制這過應(yīng)力。即便是在電源設(shè)計(jì)的極晚階段，這兩種調(diào)整方法都易于實(shí)施。
