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1、固定频率连续电流型 PFC 控制器 NCP1653 及其应用 作者：李龙文 摘要：讨论了固定工作频率、连续电流型 PFC 电路的工作原理，介绍了 NCP1653 的引脚功能及使用特点。给出了一个典型应用电路及其试验波形。0 引言从交流电网经整流供给直流是电力电子技术及电子设备中应用极为广泛的一种基本变流技术。例如在开关电源（即 AC/DC 开关电源）的输入端，交流电流经全波整流后，一般接一只大电容，以得到波形较为平直的直流电源。这种整流器与电容滤波器的组合，虽然输入交流电压是正弦的，但输入交流电流却是脉冲状的。这种严重畸变的非正弦电流，造成了谐波电流对电网的危害，并引起输入端功率因数的下降。有
2、源功率因数校正（PFC，Active Power FactorCorrection）电路的引入，应用电流反馈技术，使输入电流的波形跟踪输入正弦电压的波形，大大减小了谐波，提高了功率因数。由于 PFC 电路采用 Boost 拓扑，所以可以在较宽的输入电压范围（如 AC 90264 V）和宽频下工作。然而，PFC 电路在较低输入电压时，电路的损耗加大，效率也会降低。NCP1653 采用固定工作频率及连续电流方式，满足了 PFC 电路的各项控制功能，它所特有的跟随型升压技术则满足了在不同的输入电压条件下，使电路中的功率器件始终工作于最优化的状态。1 NCP1653 的功能框图NCP1653 是一款设
3、计成连续导通型(CCM)的功率因数校正用升压式的 PFC 控制电路，它可以工作在跟随升压或固定输出电压两种模式，工作频率固定于 100kHz，有效地减少了升压电感的体积，减小了功率 MOSFET的电流应力，从而降低了成本，采用 DIP-8 及 SO-8 封装，它的外围元器件数量很少，且极大地简化了 CCM 型的 PFC 的操作，它还集成了高可靠的保护功能。NCP1653 典型应用简图如图 1 所示，其原理方框图如图 2 所示，其引脚功能如下。图 1 NCP1653 的典型应用电路图 2 NCP1653PFC 控制器的内部等效电路脚 1（FB/SD）反馈及关断国该端子接受反馈电流 IFB，它正比
4、于 PFC 电路的输出电压，该电流大小用于输出电压调节，输出过压保护（OVP）及输出欠压保护。脚 2（Vcontrol）控制电压/软起动国该端电压直接控制输入阻抗，亦即电路的功率因数，该端接一外接电容以限制 Vcontrol 带宽，典型值为 20Hz 以下，以便实现单位功率因数。在 Vcontrol=0 时，器件无输出。因此，Vcontrol 也用做软起动。脚 3（In）输入电压控制国该端流入一个由输入电压给出的电流 Ivac，它正比于输入电压的均方根值Vac，电流 Ivac 还用于过功率限制（OPL）及 PFC 的占空比调制，当乘积 IsIvac 达到 3nA2过功率保护阈值时，OPL 激活
5、，并使占空比减少，用降低 Vcontrol 的方式直接减少输入功率。脚 4（CS）输入电流检测国该端给出一个电流 Is，它正比于电感电流 IL，检测电流 Is 用于过流保护（OCL），过功率限制（OPL）以及占空比调制，当 Is 达到 200 A 以上时，OPL 即开始工作并禁止输出。脚（5）（VM ）乘法器电压国该端提供一个电压 VM 用于 PFC 的占空比调制，PFC 输入电路的输入阻抗正比于外接于此端的电阻 RM，器件工作在平均电流型时要在此处外接一个电容 CM，否则，将工作在峰值电流型。脚 6（GND）公共端国地端。脚 7（Drv）驱动输出国该端给出调制脉冲，驱动外接的功率 MOSFE
6、T。 脚 8（Vcc）电源电压国它给器件提供工作电压，工作范围为 8.7518V，UVLO 阈值为 13.75V。2 NCP1653 的工作原理2.1 CCM 式 PFC 升压一个 CCM 升压变换器如图 3 所示，输入电压由 50Hz 或 60Hz 正弦信号整流得来，MOSFET 在 102kHz 频率下开关，所以电感电流 IL 由高频及低频两部分组成。图 3 CCM PFC 的升压电路 PFC 的方法论证滤波电容 Cfiltor 是一个小容量的电容，这也是为了减小高频电感的电流 IL，该滤波电容不能太大，否则会引起输入电压畸变而影响功率因数。NCP1653 使用一个预先设置的 PFC 方式
7、特别设计成 CCM 方式工作。PFC 的工作原理论证如下。如图 4 所示，电感电流 IL 在开关周期 T 中，充电部分 t1 和放电部分 t2，电压变换比为图 4 CCM 中的电感电流输入滤波电容 Cfiltor 及前端 EMI 滤波吸收电感电流的高频部分，它使输入电流 Iin 成为低频的电感电流。使电感电流 IL 的带宽成为 50 Hz 或 60 Hz 带宽。从式（1）和式（2），得到输入阻抗 Zin 为当输入阻抗 Zin 恒定或在 5060 Hz 的带宽内缓慢变化时，则功率因数被校正。PFC 占空比调制及时序图如图 5 所示，其中 MOSFET 在 t1 时刻导通，此为基准电压 Vret
8、与斜波电压Vramp 交叉点。充电电流 Ich 专门设计于式（5），乘法器电压 VM 表达式见式（6）。从式（3）式（6），输入阻抗 Zin 由式（7）给出由于 Vref 和 Vout 随时间变化大致上是恒定的，乘法器电压 Vm 设计成正比于 IL-50。这样对 PFC 可以有一个恒定的 Zin，如图 6 所示。由图 5 的时序图可以看出，电感电流的开关频率纹波组成了初始的 Vm，占空比可以因这个纹波准确的产生，这种调制称作峰值电流型。这样，一个外部电容 Cm 接到乘法器电压 Vm 端（脚 5），专门用于旁路 Vm 的高频含量，这种调制就变成了所谓的平均电流型，它有更好的精度。图 5 PFC
9、的时间顺序图图 6 乘法器电压与时间图乘法器电压 Vm 由式（8）给出，即输入电压的电流 Irac 正比于输入电压的有效值 Vac，如式（9）所列。后缀 ac 描述有效值，它为 50 Hz或 60 Hz 带宽。乘法器电阻 RM 是外接电阻，接于乘法器电压有效值 M 端（脚 5），它是恒定的。由于电流 Is 正比于电感电流 IL，式（10）所表示，IL 由高频成分（取决于 di/dt 或电感 L）及低频率分量（为 IL-50）组成。控制电流 Icontral 是一个基本恒定的电流，它来自 PFC 的输出电压 Vout，这是一个缓慢变化的信号。Icontrol 的带宽可用加一个外接电容 Ccont
10、rol 来限制，Ccontrol 接到 Vcontrol 端（脚 2），如图 7 所示。推荐限定带宽（fcontrol）典型值为 20 Hz，以实现 PFC 的目标，Ccontrol 的典型值为 0.10.33F，其表达式为图 7 VCONTROL 的低通滤波从式（7）式（10），可得输入阻抗 Zin 为乘法器电容 CM 是滤掉乘法器电压 VM 中高频成分的一个滤波器。高频成分来自电感电流 IL，换句话说，滤波电容 Cfilter 同样移取了电感电流 IL 的高频分量，如果电容 CM 及 Cfilter 彼此互相匹配。则 IL 变成IL-50，输入阻抗 Zin 就近似恒定在 5060Hz 的带
11、宽内，因此功率因数被校正。实际上，差模电感在 EMI 的前端滤波器改善了电容 Cfilter 的滤波性能。因此乘法器电容 CM 通常用一个大容值电容。输入及输出功率（Pin 和 Pout）由式（13）给出，此时，电路效率 为假设值，Vac 为输入电压的 RMS值。又因为 Pout=Pin因此，Pout 也正比于 IcontrolVac Vout。2.2 跟随型升压NCP1653 可以实现恒定型电压输出，也可以实现跟随型电压输出。跟随型电压输出可有效地减小 PFC 电感的体积，降低对功率 MOSFET 的要求。用这种技术，输出电压不必设定在不变的电平，可根据输入电压和负载决定，容许较低的输出电压
12、，可降低电感及功率 MOSFET 的成本。在宽输入电压范围（如 AC 90264V）应用场合，当输入电压较低时，这种方式可减少功率 MOSFET 的导通时间，从而减少 PFC 电路的功耗，降低EMI 的影响。当 Icontrol 恒定时，NCP1653 工作在跟随型升压方式。在式（13）中，如果 Icontrol 是恒定的，对于恒定负载或功率，变换器的输出电压正比于输入电压 Vac 的有效值，它意味着在输入电压 Vac 的有效值低时，输出电压 Vout 也比较低。另一方面，在负载变重或功率变高时，输出电压 Vout 也变低，如图 8 所示。图 8 PFC 的跟随升压特性PFC 的输出电压 Vo
13、ut 的检测是作为反馈电流 IFB 流入器件的 FB 端的。由于 FB 端电压 VFB 是远远小于Vout，它通常可以忽略。式中：RFB 是一个接在 FB 端和 Vout 的反馈电阻，如图 2 所示。这样反馈电流 IFB 代表着输出电压 Vout，用来调节输出电压，并实现过压保护及欠压保护。反馈电流IFB 与输出电压 Vout 的关系，如图 9 的调整曲线所示。图 9 中，基准电流 Iref 的典型值为 200 A，Icontrol=Vcontrol/R1，关系如图 7 所示。图 9 中三个线性区域为（1）IFBIref。现分别讨论如下。2.2.1 区域（1）IFBIref当 IFB 大于 I
14、ref 时，NCP1653 输出的占空比为 0。Vcontrol 也变为 0 V。调节的输出 Vreg 也变为 0 V，乘法器电压 VM 变成其最大值，且在 t1 时刻通常为 0。然后 Vout 减少到它的最小值 Vin。2.2.4 工作条件NCP1653 电路工作在下列条件之一。（1）恒定的输出电压，输出电压调节在 RFBIref 的 96%100%，输出电压由式（16）给出，它很像先前的跟随升压。（2）跟随升压型，输出电压调节在 RFBIref 的 96%及 Vcontrol=Vcontrol(max)=Iref/2=100A。输出电压由式（15）给出。2.3 输入电压和电流的检测输入电压
15、的检测如图 12 所示。NCP1653 内部的电流镜偏置电压为 4 V。可由式（9）来计算 Ivac，外接电容 Cvac 用于保持 In 端（脚 3）的电压。这里 Ivac 电流表征了 Vac 的值，并将用于过功率限制及 PFC 占空比的调制。图 12 输入电压检测In 端内部接了一只 9V 的 ESD 齐纳二极管，Rvac 的推荐值至少为 938k，可以使瞬时输入电压到400V，如式（18）所列。电感电流的检测方法如图 13 所示。Rcs 及 Rs 的选择由式（10）决定。Is 表征了电感电流 IL 在NCP1653 中用于产生乘法器的输出电压 VM，进行 PFC 占空比调制，过功率限制及过
16、流保护。传感电阻 Rs 还起到了限制开机冲击电流的作用。图 13 电流检测2.4 NCP1653 的保护功能2.4.1 软起动 在 Vcontr（ol 脚 2）电压为 0 时，器件无输出，接在此处一个电容 Ccontrol 就可以实现软起动功能。2.4.2 过压保护（OVP）当反馈电流 IFB 高过基准电流 Iref 的 107%时，器件的驱动输出变为低电平。电路在反馈电流重新变低时，自动地恢复工作。最大 OVP 阈值限制在 230 A，对应最大的 230A1.92M=444V。因此，通常推荐用 450V 的输出电容。2.4.3 欠压保护（UVP）当反馈电流 IFB 少于基准电流 8%Iref 时，器件关闭。此时器件消耗的电流少于 50A，在输出电压超过正常调整水平 12%时，器件自动地恢复工作。升压式变换器在正常条件下，输出电压 Vout 总是大于输入电压 Vin 的。因此，反馈电流也总是大于使 NCP1653 正常工作值的 8%12%。其工作特性如图 14 所
