1、在用于大于1kw的AC/DC中，如何更簡單優(yōu)秀地處理好PFC部分是電源工程師的一個難題。UCC28019給出了全新的解決方案，僅用一支8PIN的IC及少數(shù)外圍元件即可解決問題。主要特色如下:l 不用檢測線路電壓。l 內(nèi)部定頻在65KHz，易于處理EMI。l 最大占空比達(dá)97%。l 逐個周期峰值電流跟制。l 開環(huán)檢測。主要用于大功率的AC/DC，如服務(wù)器，通訊整流模塊，工業(yè)電源等。UCC28019典型應(yīng)用電路如圖1，方框電路如圖2。外部元件非常簡捷。 圖1 UCC28019的典型應(yīng)用PFC控制電路各引腳功能如下:GATE 8PIN 柵驅(qū)動。IC內(nèi)集成一個推挽式驅(qū)動器，有源出2A漏入能力，輸出高電

2、平為V。GND 1PINIC的公共端。ICOMP 2PIN電流環(huán)的補(bǔ)償端。跨導(dǎo)放大器的輸出。用一支電容接到GND提供補(bǔ)償。同時作電流控制環(huán)中的的平均電流檢測。如果ICOMP上的電壓低于V，則控制器被禁止。ISENSE 3PIN電感電流檢測端。外部電流檢測電阻上的電壓降從此端送入，它代表通過升壓電感中的瞬時電流將此電壓均衡后以消除噪聲的影響。做軟式過流限制。此電感電流為逐個周期的峰值電流限制(PCL)。若峰值電流超出可立即關(guān)斷柵驅(qū)動輸出。用一支220電阻接于此端和電流檢測電阻之間以限制浪涌沖擊電流進(jìn)入。VCC 7PINIC供電端。它的UVLO可以令控制器在VCC超過V時開始工作，低于V時關(guān)斷。用

3、瓷介電容做旁路，接于VCC到GND，用于高頻濾除噪聲。VCOMP 5PIN電壓環(huán)補(bǔ)償。跨導(dǎo)型電壓誤差放大器的輸出，用一個電阻電容網(wǎng)絡(luò)從此端接到GND，以提供補(bǔ)償。VCOMP被控在GND，直到VCC，VINS和VSENSE全部超出閾值電壓。一旦這些條件滿足，VCOMP即充電，一直到VSENSE電壓達(dá)到正常調(diào)節(jié)水平的95%。當(dāng)遇到增強(qiáng)的動態(tài)響應(yīng)(EDR)時，附加一個電流到VCOMP以減小充電時間，EDR的附加電流在軟起動時被禁止，軟起動與此端電容量成正比。VINS 4PIN輸入AC電壓檢測端。作布朗輸出檢測，在系統(tǒng)AC電壓超過正常工作電平時或低于設(shè)置的布朗輸出保護(hù)水平時，IC即相應(yīng)動作。用一個過濾

4、的分壓網(wǎng)絡(luò)接于整流后結(jié)點到GND，將分壓點接于此端。起動時，控制器被禁止，直到VINS電壓超出閾值V才開始軟起動。控制器在VINS降到布朗輸出保護(hù)點V時被禁止，直到VINS和VSENSE電壓超出其使能閾值時才起動新的軟起動周期。 圖2 UCC28019的內(nèi)部等效方框電路VSENSE 6PIN輸出電壓檢測。外部用一個電阻分壓器從此端到PFC輸出電壓，提供輸出電壓的反饋檢測。用一個小電容從此端接到GND，以濾除高頻噪聲。待機(jī)時禁止控制器并放掉VCOMP的電荷。在VSENSE端電壓降到閾值以下V時，即為待機(jī)。一個內(nèi)部100nA電流源將VSENSE拉到GND，以作為開環(huán)保護(hù)。包括此端斷線以及輸出過壓保

5、護(hù)(OVP)。此時將禁止柵驅(qū)動輸出。這時VSENSE電壓超出105%的基準(zhǔn)電壓，增強(qiáng)的動態(tài)響應(yīng)可重新令輸出電壓在系統(tǒng)線路或負(fù)載導(dǎo)致VSENSE電壓降到基準(zhǔn)的95%以下時回到正常調(diào)整率水平。l UCC28019工作描述UCC28019是一個用于功率因數(shù)校正，工作在固定頻率連續(xù)導(dǎo)通模式的升壓變換器的控制IC。UCC28019僅需要少數(shù)外接元件，用于PFC的預(yù)調(diào)整器。它的工作頻率在內(nèi)部固定于65KHz，以確保傳導(dǎo)EMI噪聲在EN55022的標(biāo)準(zhǔn)150 KHz以下。其內(nèi)部5V基準(zhǔn)可精確調(diào)節(jié)輸出電壓，以應(yīng)對AC 85265V輸入。并可以從空載到滿載適于200W2KW的輸出功率水平。其調(diào)節(jié)有兩個環(huán)路。內(nèi)部

6、電流環(huán)用于均衡平均輸入電流使之匹配正弦輸入電壓。在輕載時，取決于升壓電感值。電感電流可以進(jìn)入斷續(xù)，但仍滿足IEC1000-3-2的D級標(biāo)準(zhǔn)。輸出電壓環(huán)用于調(diào)節(jié)輸出電壓，它取決于內(nèi)部增益參數(shù)，并保持在待機(jī)狀態(tài)下電流波形僅有最小的畸變。l 給UCC28019供電.UCC28019由外偏置源供電。推薦由外部輔助穩(wěn)壓源供電。它沒有采用自行起動的方法供電。自行起動從輸入高壓源通過電阻降壓，電容儲能并保持VCC電壓直到從偏置源供電。VCC的最小窗口與保持電容配合。在正常工作時，工作電流給外部開關(guān)供電，加入足夠的旁路電容，以保持VCC電壓紋波最小，最小電容取f1uf。器件偏置工作時，有幾個狀態(tài)。起動時，VC

7、C處在欠壓鎖定狀態(tài)。設(shè)置最小的工作直流電壓，有兩個UVLO閾值。當(dāng)超出開啟閾值時，控制器導(dǎo)通。若VCC降到低的關(guān)斷閾值時，控制器即關(guān)閉。在UVLO期間，器件工作電流很小。器件開啟后，軟起動開始，為防止輸出過沖，偏置電壓必須穩(wěn)定。器件消耗正常工作電流，若幾個故障條件出現(xiàn)，或進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)時，僅消耗待機(jī)電流。 圖3 UCC28019的VCC供電狀態(tài)l 軟起動.VCOMP電壓環(huán)跨導(dǎo)放大器的輸出端在UVLO，IBOP，OLP/STANDBY期間拉為低電平。在故障條件移去后，軟起動控制VCOMP端的上升速率，以得到占空比作為時間函數(shù)線性地增大。軟起動中，30uA的恒流源進(jìn)入補(bǔ)償元件，使此端電壓線性上斜直到

8、輸出電壓達(dá)到最終值的85%。在這一點，源電流開始減小直到輸出電壓達(dá)到最終值的95%。軟起動時段由誤差放大器補(bǔ)償元件值控制。用戶可以此調(diào)節(jié)設(shè)計所要的環(huán)路覆蓋頻率，一旦Vout超過設(shè)定電壓的95%，EDR就不會長期禁止。軟起動電路如圖4。 圖4 UCC28019的軟起動電路功能l 系統(tǒng)保護(hù)系統(tǒng)水平保護(hù)特點維持系統(tǒng)的安全工作，輸出保護(hù)如圖5。 圖5 UCC28019的輸出保護(hù)狀態(tài) 圖6 UCC28019的UVLO功能l VCC欠壓鎖定.(UVLO)在起動中，UVLO保持器件關(guān)斷狀態(tài)直到VCC上升到V以上的起動值VCCon，設(shè)置1V的窗口UVLO以限制噪聲。在VCC降到V時關(guān)斷。如圖6所示。l 布朗輸

9、出保護(hù).VINS提供給設(shè)計師在PFC級一個設(shè)置所要的AC RMS電壓水平的方法。低于此電壓，則關(guān)斷PFC。這保護(hù)了在低壓時過大的輸入電流超出導(dǎo)致的系統(tǒng)過熱。此外，由于VCC的起動也直接從線路電壓處供給，IBOP保護(hù)電路在AC低壓時停止工作，如圖7。 圖7 UCC28019的布朗輸出保護(hù)(IBOP)輸入線路電壓的檢測直接從整流的AC主干線電壓經(jīng)電阻分壓器并濾波后提供，并送到VINS輸入。IBOP在器件待機(jī)時VINS降到V以下。(VINS BRONout-th)在VINS上升到V的VINS BRONout-th以上時，從VINS端的偏置電流源少于，分壓網(wǎng)絡(luò)的最大電阻值選擇時要有最小功耗，以令其工作

10、在低的待機(jī)狀態(tài)。PCB布局也要考慮，此外還取決于所選的電阻類型。首先，選擇RVINS1，按最高諧振阻值，然后選擇RVINS2。此處，VF-BRIDGE為整流橋正向壓降。功耗為:濾波電容CVINS有兩個功能：第一個，抑制電壓紋波水平到BROWN-OUT閾值能接受，防止誤觸發(fā)IBOP。第二個，CVINS延遲一下布朗輸出保護(hù)動作，給出半個周期時間，以應(yīng)對準(zhǔn)確的布朗輸出保護(hù)事件。按下式選擇：此處， VIN-RMS是最低工作的RMS輸入電壓.l 輸出過壓保護(hù).(OVP)Vout(OVP)為輸出電壓超出規(guī)定值5%時，導(dǎo)致VSENSE超出V閾值,Vovp令電壓控制環(huán)旁路，柵驅(qū)動輸出被禁止，直到VSENSE返

11、回到V以下。例如對于400V系統(tǒng)Vout(ovp)為420V。l 開環(huán)保護(hù)/待機(jī)(OLP/STANDBY). (圖8) 圖8 UCC28019的OVP和開環(huán)保護(hù)如果輸出電壓反饋元件故障斷開了從VSENSE的信號。誤差放大器將會增大輸出驅(qū)動的占空比，為防止此現(xiàn)象，內(nèi)部要拉下VSENSE，強(qiáng)制其為低電平。如果輸出電壓降到標(biāo)準(zhǔn)值的16%，會使VSENSE降下V到待機(jī)狀態(tài)。此時PWM開關(guān)停止，器件仍工作，但待機(jī)電流降到3mA以下。這個關(guān)斷特色給設(shè)計師一個從外部拉低VSENSE的選擇設(shè)計。l 輸出欠壓檢測(UVD)/加強(qiáng)動態(tài)響應(yīng).在大通道負(fù)載時,增強(qiáng)動態(tài)響應(yīng)(EDR)可以加速低帶寬的電壓環(huán)的響應(yīng)速度。l

12、 過流保護(hù).電感電流由Rsense檢測，一個低值電阻放在輸入整流器回程處。電阻另一邊接系統(tǒng)地。此電阻上的電壓是負(fù)的，這里有兩個過流保護(hù)特點，峰值電流限制，(PCL)應(yīng)對電感飽和，軟過流(SOC)保護(hù)，應(yīng)對輸出過載。見圖9。 圖9 UCC28019的軟過流(SOC)保護(hù)和峰值過流保護(hù)(PCL)l 軟過流.軟過流(SOC)限制輸入電流，SOC在電流檢測電壓達(dá)到V時激活，改變了內(nèi)部的VCOMP電平，由控制環(huán)調(diào)節(jié)去減小PWM占空比。l 峰值電流限制.(PCL)峰值電流限制為逐個周期式限流。當(dāng)電流檢測電阻壓降達(dá)到V時，PCL激活，終止開關(guān)周期。ISENSE上的電壓由固定增益放大，然后前沿消隱以改善噪聲免

13、除，防止錯誤觸發(fā)。l 電流檢測電阻.電流檢測電阻RSENSE用于SOC的最小閾值。V。為防止在正常工作時觸發(fā)此閾值，內(nèi)部有一個非線性功率限制的增益，根據(jù)它來減小占空比。此電阻典型按過載電流即峰值電感電流超出25%計算。由于Rsense為平均輸入電流，最壞情況的功耗在最低線輸入時電流最大,電阻功耗以此給出:峰值電流限制(PCL)保護(hù)時關(guān)斷輸出驅(qū)動，此時檢測電阻上的電壓為PCL閾值VPCL，最大峰值電流IPCL為:l 柵驅(qū)動.柵驅(qū)動輸出設(shè)計用一個電流最佳化結(jié)構(gòu)直接驅(qū)動整個MOSFET的大值的柵電容，令其快速開啟和關(guān)斷。內(nèi)部箝位限制此電壓不高于V，外部的柵驅(qū)動電阻RGATE限制上升時間，防止寄生電感

14、產(chǎn)生的振鈴，以此減小EMI。電阻的最終值取決于寄生元件及Layout。用一支10K電阻緊靠柵接于柵和GND之間，以放掉柵電荷保護(hù)瞬間的dv/dt觸發(fā)導(dǎo)通。見圖10。 圖10 UCC28019的柵驅(qū)動電路l 電流環(huán).整個系統(tǒng)電流環(huán)由平均電流放大器級，脈寬調(diào)制器級，外部升壓電感和外部電流檢測電阻組成。l ISENSE和ICOMP功能.負(fù)極性的信號從電流檢測電阻經(jīng)緩沖，倒相送到ISESE輸入端，內(nèi)部正信號被電流放大器均衡后，輸出處即ICOM端。ICOMP端上的電壓正比于平均電感電流，一支外部電容接到GND和ICOMP端，用于電流環(huán)的補(bǔ)償和電流紋波濾波。均衡電流放大器的增益由內(nèi)部VCOMP的電壓決定，

15、此增益為非線性，它根據(jù)世界各處AC電壓范圍決定。在故障和待機(jī)狀態(tài)時，ICOMP接到4V電壓(在IC內(nèi)部)。l 脈沖寬度調(diào)制器.PWM級比較ICOMP信號和前沿調(diào)制器輸出信號的斜波比較，在斜波電壓超出ICOMP電壓時，其輸出為高電平。斜波的斜率由非線性的VCOMP電壓決定。PWM輸出信號在每個周期總是從低電平開始，經(jīng)內(nèi)部時鐘觸發(fā)，在斜波線性上升到達(dá)內(nèi)部ICOMP電壓時，輸出低電平為最小關(guān)斷時間Toff(min)。斜波Icomp相互決定Toff，也就是Doff。由于Doff=VIN/VOUT。此為升壓電路拓樸給出，又因為VIN為正弦波形，因為ICOMP正比于電感電流，它強(qiáng)制電感電流按輸入電壓波形保

16、持升壓調(diào)整率。因此，平均輸入電流也為正弦波形。l 控制邏輯PWM比較器的輸出傳遞到柵驅(qū)動級，從屬的各種保護(hù)功能也加入到其控制系統(tǒng)。柵驅(qū)動輸出的占空比可高達(dá)99%，但總有最小關(guān)斷時間Toff(min)。通常占空比的工作可直接由OVP，PCL(逐個周期式)，UVLO，IBOP和OLP中斷。待機(jī)時還決定出最小柵驅(qū)動脈沖，進(jìn)一步禁止其輸出直到SS工作能開始。l 電壓環(huán).PFC控制器的外部控制環(huán)即是電壓環(huán)。這個環(huán)由PFC輸出檢測級，電壓誤差放大器級，非線性增益發(fā)生器組成。l 輸出檢測.電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)從PFC輸出電壓到GND形成電壓控制環(huán)的方框電路，電阻比值由所設(shè)定的輸出電壓和內(nèi)部5V基準(zhǔn)決定。如同VIN

17、S端輸入在VSENSE端有一個非常低的偏置電流源，可使我們選擇更高值電阻以減小功耗和待機(jī)電流。用一支小電容從VSENSE接到GND，以濾除高端傳來的噪聲，此濾波器時間常數(shù)通常少于100us。l 電壓誤差放大器.跨導(dǎo)誤差放大器(gmv)產(chǎn)生一個輸出電流，它正比于VSENSE端反饋電壓與5V基準(zhǔn)之差。此輸出電流給輸出補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的電容充電，放電，以建立起合適的VCOMP電壓作系統(tǒng)的工作條件。合適地選擇補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)元件可以使PFC預(yù)調(diào)整器系統(tǒng)在整個AC輸入范圍和0100%負(fù)載范圍穩(wěn)定工作。整個電容還決定VCOMP電壓的上升速率，此正如先前討論過的。放大器的輸出端VCOMP在任何故障條件或待機(jī)狀態(tài)下都被拉到地

18、電平，將補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)電容放電，進(jìn)入初始0電壓狀態(tài)。通常大電容串入一支電阻，用于以其時間常數(shù)延遲放電。如果VCC偏置電壓在UVLO之后迅速移去，VCOMP上晶體管放電失去驅(qū)動，大補(bǔ)償電容只留下實質(zhì)電壓在其上，取消了下面的軟起動順序。UCC28019用一個并聯(lián)放電通路在沒有偏壓時工作，進(jìn)一步VCC在移去后給補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)放電。當(dāng)輸出電壓擾動在VSENSE輸入處大于5%時，放大器即離開線性工作區(qū)。在過壓OVP作用下，直接關(guān)斷GATE輸出，直到VSENSE返回5%的調(diào)整范圍內(nèi)。在欠壓時，UVP功能請求EDR立即增加內(nèi)部VCOMP電壓到2V，并增加VCOMP外部充電電流，典型從100uA到170uA，這樣大的電流

19、快速給補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)充電到一個新的工作水平，以改善瞬態(tài)響應(yīng)時間。l 非線性增益發(fā)生器.VCOMP上的電壓用于電流放大器的增益及產(chǎn)生PWM的斜波斜率，此電壓在內(nèi)部緩沖后由EDR功能和SOC功能改善，此如先前討論過的。整個PWM斜率調(diào)整的電流增益應(yīng)對不同系統(tǒng)的工作條件，為VCOMP充電。提供低的畸變，高的功率因數(shù)，改善輸入電流波形，令其準(zhǔn)確地跟隨輸入電壓。l 設(shè)計PCB的注意及考慮.作為PWM控制器，信號端子上有效的濾波電容要很好地到GND,UCC28019的輸出端為高的di/dt端，它會在PGND產(chǎn)生高的噪聲。所以信號地與之連接時需要繞開高di/dt處，免受干擾。ISENSE，VINS，VCOMP以及

20、VSENSE必須直接回到GND，所以其GND應(yīng)為星狀接法。見圖11。 圖11 推薦的UCC28019外圍元件布局設(shè)計實例及設(shè)計程序.我們用一個實際350W的 PFC電路給出UCC28019的設(shè)計程序。l 設(shè)計目標(biāo)及技術(shù)規(guī)范見表1。表1 實際電路如圖12所示。 圖12 UCC28019控制的350W的PFC予穩(wěn)壓器電路下面即是設(shè)計計算過程。電流計算首先，確定最大輸出平均電流，IOUTMAX。最大輸入RMS線路電流 IIN_RMSMAX，用表1的數(shù)據(jù)計算，有：基于以上計算，最大峰值輸入電流IIN_PEAK和最大平均輸入電流IIN_AVGMAX如下：橋式整流器假設(shè)二極管的正向壓降VF_BRIDGE是

21、0.95V，整流橋的損耗是：輸入電容：UCC28019是連續(xù)電流型PFC控制器。其電感紋波電流按照允許有20%的高頻紋波因子VRIPPLE和6%的最大輸入電容值CIN計算之，首先確定輸入電流紋波IRIPPLE和電壓的紋波VIN_RIPPLE。輸入的X電容現(xiàn)在可以計算如下：升壓電感確定最大峰值電感電流I L_PEAKMAX之后，決定電感值LBST。按照最壞情況的占空比50%計算，電感值為：實際升壓電感選擇為1.25mH。最大占空比出現(xiàn)在最低輸入電壓時，升壓二極管二極管的損耗的估計根據(jù)其正向壓降VF，125OC時的反向恢復(fù)充電電荷QRR，選用碳化硅二極管可以節(jié)省反向恢復(fù)損耗。其損耗是：開關(guān)元件MO

22、SFET的導(dǎo)通損耗在125OC時，按照RMS電流計算，有：開關(guān)損耗按照上升時間估算，以及輸出電容的損耗為：檢測電阻根據(jù)內(nèi)部非線性功率限制的增益，RSENSE的大小受限于軟過流觸發(fā)，要高于最大峰值電感電流的25%，用SOC的最小閾值VSOC：采用兩只電阻并聯(lián)，選為：電阻的功耗為：對于峰值電流限制，PCL保護(hù)特色其在流過其電流產(chǎn)生的壓降等于其閾值VPCL時，用最壞情況分析，用最大的VPCL。為了保護(hù)器件能承受沖擊電流，用標(biāo)準(zhǔn)220m電阻。與ISENSE端串聯(lián)，用1000pf電容緊靠器件改善噪聲。輸出電容輸出電容COUT的大小要滿足變換器保持時間的需要，假設(shè)下面的變換器在一個線路周期內(nèi)t HOLDU

23、P=1/f LINE(MIN)，保持PFC級不低于300V，計算的電容值如下：這是可建議的值，考慮到電容有+/-20%的偏差，選擇270uF。設(shè)置最大峰峰值輸出紋波電壓必須少于輸出電壓的5%，要確保紋波電壓不會觸及OVP和UVP，最大峰峰值紋波電壓出現(xiàn)在線路頻率的二倍處，紋波電流計算如下： 在兩倍線路頻率處所需的紋波電流比率是： 還有更高頻紋波電流通過輸出電容： 在輸出電容上整個的紋波電流作為選擇輸出電容的根據(jù)。 輸出電壓設(shè)置點為減小功耗及減小設(shè)置電壓的誤差，推薦用1M作為高端的反饋分壓電阻RFB1，采用多個電阻串聯(lián)，減小每個電阻承受的電壓，用內(nèi)部5V基準(zhǔn)計算底部分壓電阻RFB2，以滿足輸出電

24、壓設(shè)置點的目標(biāo)。 用13K給RFB2，此時輸出電壓值設(shè)置在391V。 過壓保護(hù)OVD，在輸出電壓超出5%時動作。 欠壓保護(hù)UVD，也在輸出電壓低于5%時動作。 用一個小電容放于VSENSE到GND，用于濾除噪聲，防止高線空載時的誤觸發(fā)，增強(qiáng)動態(tài)響應(yīng)。限制此電容值，RC時間常數(shù)要小于0.1ms。以便不會減少控制環(huán)的響應(yīng)時間。 環(huán)路補(bǔ)償 補(bǔ)償元件的選擇對于采用UCC28019的電流環(huán)和電壓環(huán)很容易設(shè)計計算，用TI的網(wǎng)站工具即可。電流環(huán)補(bǔ)償首先確定內(nèi)部環(huán)的變量乘積M1*M2，用內(nèi)部控制器的常數(shù)K和KFQ。 VCOMP的工作點可以從圖13中找出，設(shè)計計算延伸，使用戶可以重復(fù)選擇合適的VCOMP值。對于給出的M1*M2的值0.372us，VCOMP大約等于4。 獨立的環(huán)路因子M1是電流環(huán)的增益因子。M2是電壓環(huán)的PWM的斜波的斜率。用下面的條件計算。 M1電流環(huán)的增益因子： M2的PWM的斜波斜率： 核實各自的增益因子的乘積，要大約等于上面定出的M1*M2，如果不是，則重新計算M1*M2。 圖13