采用PFC預調節器加速啟動

采用PFC預調節器加速啟動

通常，我們會利用一個低電壓環路（參見圖 2）對功率因數校正 (PFC) 預調節器升壓轉換器進行補償，以降低輸入電流總諧波失真 (THD)。在大多數應用中，PFC 預調節器的小信號電壓環路的設計以低于十七分之一的線頻率進行電壓交叉 (cross over)。在一個線頻率為 60-Hz 的離線轉換器中，電壓環路以低于 10Hz 的頻率進行電壓交叉。圖 3 顯示了線頻率為 60-Hz 的 PFC 預調節器離線工作時，其典型的電壓環路頻率響應情況。

圖 2 電壓環路控制結構圖(點擊放大圖片)

圖 3 電壓環路頻率響應(點擊放大圖片)

對于電源設計人員來說，電壓環路的小信號帶寬是一個非常嚴峻的挑戰。該環路對小信號變化響應的最短時間大約為 100ms，而該環路對大信號變化響應的時間可能要花上數百毫秒，如啟動時的信號變化。啟動期間，由于電壓環路對大信號瞬態響應的校正不夠快，因此可能會出現升壓電壓過沖現象。為了避免上電時的過沖現象，電源設計人員可能不得不緩慢地調高輸出電壓。這種情況一般是通過使用軟啟動 (SS) 功能來實現，大多數先進的脈沖寬度調制 (PWM) 控制器都具備這一功能。

典型 PFC 的應用評論

PFC 預調節器是兩級功率系統中特有的部分。第一級為一個升壓轉換器，該轉換器通過平均電流模式控制得到輸入電流波形，以實現單位功率因數。要使升壓轉換器能正常運行，這就需要一個高于輸入電壓的輸出電壓，并且第二級需要對該電壓進行降壓，使其成為可用輸出電壓。

圖 4 典型的具有 PFC 預調節器的兩級系統(點擊放大圖片)

圖 1（見最后一頁）所示原理圖表明，PFC 預調節器設計用于在脫離通用線電壓（如 85Vrms 至 265Vrms 之間）的情況下運行，并將 DC 輸出調節為 385v 和 250w。第二個功率級一般位于這個預調節器的下游，該預調節器是專門設計用于在輸入電壓為其輸出電壓的 75% 時正常工作，這樣便可以應對“欠壓”的情況。

所帶來的挑戰

在一些應用中，設計工作需要一個快速啟動，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象：圖 1 所示的升壓電容 (C12) 電氣應力。

需要設計一個如圖 1 所示的電路來實現在 300ms 時間以內的軟啟動。設計方面的要求是在 300ms 時間內升壓不超過其目標輸出電壓的 75%。圖 5 的波形反應了該設計的軟啟動特性。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 引腳的柵極驅動信號。UCC3817 控制升壓開關 Q1。

圖 5 典型的 PFC 預調節器啟動行為

該電源的設計，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，由于轉換器的電壓環路響應較慢，輸出電壓并沒有跟蹤 SS，而是在上電過程中出現過沖，并達到將近 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 的軟啟動功能運行正常。輸出電壓和 VAOUT 會跟蹤軟啟動，一直到輸出電壓達到 385V。一旦 VOUT 超過 385V，由于需要一個最小的占空比，電壓放大器輸出會降低，但是電壓環路響應太慢而無法避免出現過沖現象。

解決方案

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

圖 6 過沖抑制電路

工作原理

電壓環路會將 VSENSE 引腳電壓調節到大約 7.5V。電路的功能是加載一個 2V 電壓至 VSENSE 引腳，該引腳在上電期間會欺騙 (fooling) 電壓放大器。當升壓達到其調節輸出電壓的 75% 時，這種做法將會導致 Q1 的柵極驅動關閉，從而降低上電期間輸出端的過沖峰值數量。

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 SS 引腳電壓達到一個 5-V 直流電的電平時，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 共同構成了電路時序。在對電容器 C4 進行充電時，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 引腳加載一個大約 2V 的電壓。待電容器 CA 完全充電后，晶體管 QA 關閉，從而使電路失效。

電路實施

將圖 6 的電路添加到圖 1 所示的升壓調節器中。圖 7 所示的示波器圖表明了升壓調節器的啟動特性。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 引腳的柵極驅動信號。UCC3817 控制升壓開關 Q1。在該波形中，我們可以觀察到該電路是符合設計要求的。升壓電壓絕不能高于 385V，并且要在 300ms 時間內被調節至額定電壓的 75%。

圖 7 具有過沖抑制電路的啟動

結論

為了滿足 THD 和 PF 要求，PFC 預調節器的環路頻率通常約為 10Hz。電壓環路需要近 500ms 的時間來對大信號瞬態進行響應，例如：啟動等。為了解決該問題，電源設計人員通常的做法是，使他們設計的軟啟動功能變慢。然而，使用上述簡易電路不但可以減少過沖現象，而且還可以縮短預調節器上電的時間。

作者簡介

John Bottrill 現任 TI 電源轉換產品部高級應用工程師。他畢業于加拿大金斯敦皇后大學 (Queen's University)，獲電子工程理學士學位。如欲聯系作者，請發送郵件至 john_bottrill@ti.com。

Michael O’Loughlin 現任 TI 高性能模擬產品部消費類電子應用工程師。他畢業于麻塞諸塞州立大學 (University of Massachusetts)，獲電子工程理學士學位。如欲聯系作者，請發送郵件至 michael_oloughlin@ti.com。

圖 1 典型的 PFC 應用