深度解析L4986：CCM PFC控制器的卓越之選

在電子設備的電源設計領域，功率因數校正（PFC）技術至關重要，它能有效提高電源效率、降低諧波失真。今天，我們就來深入剖析一款高性能的CCM PFC控制器——L4986，探究它在設計中的關鍵特性和應用優勢。

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一、關鍵特性概覽

1. 工作模式與電壓啟動

• 峰值電流模式CCM：L4986采用峰值電流模式連續導電模式（CCM）操作，能夠提供更穩定的電流控制，確保高效的功率轉換。
• 800V高壓啟動：集成800V高壓啟動功能，同時具備輸入電壓感應能力，可在高壓環境下快速啟動，并準確感知輸入電壓變化，為后續的控制提供基礎數據。

  2. 低諧波失真與組件精簡

• 低THD表現：獨特的專有乘法器“模擬器”以及創新的THD優化器，能在所有操作條件（CCM和DCM）下保證極低的總諧波失真（THD）性能，使電源的輸入電流更接近正弦波，減少對電網的干擾。
• 極少外部組件：僅需極少的外部組件，就能實現完整的PFC功能，大大簡化了設計復雜度和電路板空間，降低了成本。

  3. 全面保護機制

• 多重保護功能：具備反饋回路故障、過壓保護（OVP）、過流保護（OCP）、電感飽和保護、欠壓保護（brown - in、brownout）等多種保護功能，其中欠壓保護符合醫療開關模式電源（SMPS）標準，能夠有效保障電源系統的穩定性和可靠性，減少故障發生的概率。

  4. 其他實用特性

• 軟啟動功能：通過軟啟動功能，可在啟動過程中平滑增加電感電流峰值，有效限制啟動時的浪涌電流，避免對電源和負載造成沖擊。
• 開關頻率可選：提供65kHz（A版本）和130kHz（B版本）兩種開關頻率選項，工程師可以根據具體的應用需求和設計要求進行選擇，以優化電源性能。
• PGOOD功能：PG_IN是一個可調輸入比較器，可用于監測PFC輸出電壓，并通過PG_OUT引腳輸出相應的邏輯信號，方便系統進行電源狀態的監控和管理。

二、工作原理剖析

1. 控制模式基礎

L4986A/B采用傳統的峰值電流模式控制，基于固定關斷時間（FOT）控制技術。它通過輸出電壓控制環將電流檢測信號 (V{CS}) 與內部電流參考 (V{CS_REF}) 進行比較，來設定功率開關的導通時間 (T{ON})，以維持輸出電壓 (V{OUT}) 的穩定調節；同時，利用“OFF - TIME modulator”電路來設定功率開關的關斷時間 (T{OFF})，確保在所有工作條件下實現準固定的開關頻率 (F{SW})。

2. 電壓調節與參考生成

• 跨導誤差放大器將輸出電壓 (V{OUT}) 的一部分通過電阻分壓器 (R{3}-R{4}) 引入其反相輸入（FB引腳），與連接到同相輸入的精確內部參考 (V{REF})（典型值為2.5V）進行比較，生成與它們差值成比例的誤差信號 (V_{C})。
• “Vin & multiplier estimator”電路根據 (V{C}) 以及FW和ZCD信號，生成電壓 (V{G}(theta)=V{C} K{1} frac{V{I N}(theta)}{V{O U T}})，該電壓與輸入電壓 (V{IN}(theta)) 和控制電壓 (V{C}) 成比例，且無需使用標準乘法器塊和交流線路感應。

  3. 不同模式下的電流控制

• CCM模式：“THD - DCM optimizer”電路在CCM操作中作為簡單增益 (K{2}) 起作用，內部電流參考電壓 (V{CS_REF}(theta)^{CCM}=V{G}(theta) K{2}=frac{K{M}}{V{O U T}} V{C} V{I N}(theta))?！癟HD - CCM optimizer”電路在功率開關導通期間向CS引腳提供電流 (I_{THD_CCM}(theta))，使輸入電流呈正弦波，從而實現低THD和高功率因數（PF）的理想效果。
• DCM模式：在DCM操作中，“THD - DCM”優化器塊對 (V{G}(theta)) 電壓進行適當整形，生成電流參考電壓 (V{CS_REF}(theta)^{DCM})，使輸入電流同樣呈正弦波且與輸入電壓同相，達到與CCM模式類似的低THD和高PF性能。

  4. 關斷時間調制

  L4986內置的新型關斷時間調制器能夠在所有工作條件下（CCM和DCM操作）實現準固定的開關頻率，且不受輸入/輸出電壓、負載條件和轉換器寄生參數的影響。當功率開關導通時間結束后，內部開關SW5打開，恒定電流發生器 (I{R}) 對電容 (C{R}) 進行線性充電，產生的電壓 (V{RAMP}) 與 “Constant (F{SW})” 電路基于 (T{ON}) 生成的電壓 (V{TH_RAMP}) 進行比較。當 (V{RAMP}) 達到 (V{TH_RAMP}) 時，觸發器置位，外部功率開關導通，從而根據導通時間信息對關斷時間進行調制，保證開關頻率的穩定性。

三、關鍵功能詳解

1. 高壓啟動

• 當HV引腳電壓高于 (V{HV_START})（典型值29V）時，高壓啟動電路開啟，開始提供 (I{HV_ON}) 電流（典型值7mA）。該電流扣除啟動前的器件消耗 (I{START_UP})（典型值400μA）后，對連接在VCC引腳和地之間的外部旁路電容進行充電，使VCC引腳電壓近乎線性上升，直至達到器件開啟閾值 (V{CC_ON})（典型值14V）。
• 為保護高壓啟動電路，在VCC引腳電壓低于 (V{CC_SO})（典型值1V）時，(I{HV_ON}) 電流典型值為1mA。當VCC引腳電壓達到 (V{CC_ON}) 后，器件開始工作，為確保系統可靠啟動，HV電流發生器 (I{HV_ON}) 保持開啟，直到輸出電壓達到編程值的70%（FB引腳高于相應閾值）。此外，如果發生過流請求等情況導致功率消耗過大，HV電流發生器會在 (T_{TOUT}) 超時（典型值100ms）后自動關閉。
• 在啟動階段結束后，系統應保證 (V{CC}>V{CC_OFF})。若VCC引腳電壓降至 (V{CC_OFF})，器件將關閉，高壓啟動電路開啟，將VCC引腳電壓提升至 (V{CC_ON})，并重新啟動操作，同時執行軟啟動。

2. 輸入線放電（X - cap放電功能）

為滿足安全法規（如IEC 61010 - 1/IEC 62368 - 1）要求，L4986內置了內部邏輯電路。當檢測到設備與電源線斷開連接時，經過檢測時間 (T{DECT_XCAP})（典型值64ms）后，觸發X電容放電操作，開啟內部HV電流發生器，從HV引腳吸取至少5mA的放電電流 (I{HV_ON})，將EMI濾波器的X電容放電至安全水平（HV引腳電壓降至最大值45V以下），避免使用傳統的與X電容并聯的放電電阻，從而節省相關功率損耗，實現待機狀態下的超低功耗。

3. 軟啟動

為限制轉換器啟動時的浪涌電流，L4986采用軟啟動功能。在 (T{SS_OCP1}) 時間（典型值130ms）內，將第一個過流比較器（OCP1）的參考閾值從零逐步增加到 (V{CS_OCP1})（典型值 - 0.49V），使電感電流峰值從0平穩上升到控制環設定的所需值，以調節輸出電壓。

4. 無負載運行（突發模式功能）

當 (V{COMP}{COMP_S})（典型值1V）時，為避免輕載或零負載情況下輸出電壓的不受控上升，器件停止開關活動并降低功耗。當 (V{COMP}>V{COMP_R})（典型值1.05V，且與 (V{COMP_S}) 閾值相關聯）時，器件重新啟動開關活動。若在門驅動器GD處于“高電平”時觸發突發模式條件，器件會完成當前導通時間，然后在GD下降沿后停止系統運行。在突發模式運行期間，系統應保證 (V{CC}>V{CC_OFF})，若VCC引腳電壓降至 (V{CC_OFF})，器件將關閉，高壓啟動電路開啟，將VCC引腳電壓提升至 (V_{CC_ON}) 并重新啟動操作，同時執行軟啟動。

為限制輸出電壓過沖（例如由于重載釋放或輕載啟動），當瞬時輸出電壓 (V{OUT}) 高于編程值的約7%時，器件將停止開關活動。器件通過監測FB引腳來檢測過壓情況，FB引腳電壓與輸出電壓 (V{OUT}) 的瞬時值成比例，在穩態條件下等于誤差放大器的內部參考 (V{REF})（2.5V）。當FB電壓超過穩態值7%（(V{FB}>V{FB_S})）時，開關活動停止，直到FB電壓回到接近穩態值（(V{FB}{FB_R})）。為避免保護誤激活，設置了去抖動時間 (T{DOVP_DB})（典型值50μs）。在OVP條件下，為避免IC意外關閉，當VCC引腳電壓低于 (V{CC_HVSTUP_OVP}) 閾值（典型值11.5V）時，內部HV啟動電路將開啟，將VCC引腳電壓提升至開啟閾值 (V{CC_ON})。

4. 過流（OCP1功能）

為限制在額外電流請求（例如重載變化）情況下的電感峰值電流，器件采用逐周期過流保護。在功率開關導通期間，器件監測CS引腳電壓。當CS引腳電壓降至 (V{CS_OCP1})（典型值 - 0.49V）以下時，內部過流比較器觸發，在正常PWM電路之前終止功率開關的導通周期，從而將電感峰值電流限制在最大值0.49/ (R{S})。

5. 電感飽和檢測（OCP2功能）

設置了第二個過流水平 (V{CS_OCP2})（典型值 - 0.75V），用于檢測異常電流值（例如由于升壓電感飽和引起的）。若連續兩個開關周期出現這種情況，將激活安全程序，立即停止轉換器活動，直到電流水平達到零電流閾值（(V{CS_ZCD})）。零電流閾值監測器允許在電源啟動、市電電壓驟降或缺失周期后發生電流浪涌時進行安全操作，確保僅在過流事件完全結束后才允許開關啟動/重新啟動。

6. 反饋故障檢測

器件能夠處理輸出電壓反饋和輸入電流監測的可能斷開情況。在啟動時，當VCC引腳電壓達到開啟閾值 (V{CC_ON}) 后，器件會檢查FB和CS引腳。若FB引腳電壓低于內部 (V{FB_FF/EBM}) 閾值（典型值0.5V），則認為輸出分壓電阻出現故障（例如 (R{FB_H}) 電阻未安裝），器件將停止開關活動并降低功耗，設置去抖動時間 (T{FF/EBM_DB})（典型值1.8μs）以避免誤觸發；若CS引腳電壓高于內部 (V{CSD}) 閾值（典型值200mV），則認為電流檢測電阻出現故障（例如 (R{THD_CCM}) 電阻未安裝和/或 (R{S}) 電阻燒壞），器件將停止開關活動并降低功耗，要重新啟動轉換器，需要將 (V{CC}) 在關閉閾值 (V{CC_off}) 和開啟閾值 (V{CC_ON}) 之間進行循環，同時設置去抖動時間 (T_{CSD_DB})（典型值10μs）以避免誤觸發。

五、其他重要信息

1. 線路前饋

為使轉換器可提供的最大輸出功率相對于交流輸入電壓基本保持恒定，控制器中集成了兩級離散電壓前饋功能。通過HV引腳監測交流輸入電壓，并將其與固定閾值進行內部比較，以適當設置等效乘法器增益 (K{M})（具體細節見表5電氣特性）。在交流輸入電壓低于142Vrms和高于166Vrms時，可保證轉換器以正確的 (K{M})