LT1509：高效的功率因數與PWM控制器

在電子工程師的設計工作中，尋找一款能滿足復雜需求的功率因數校正（PFC）和脈寬調制（PWM）控制器至關重要。今天，我們就來深入了解一下Linear Technology Corporation的LT1509，它是一款為通用離線開關電源提供的完整解決方案。

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關鍵特性

集成度高

LT1509將PFC和PWM功能集成在單芯片中，這種高度集成的設計大大簡化了電源設計的復雜度，減少了外部元件的使用，降低了成本和電路板空間。

同步性能出色

它能夠實現高達300kHz的同步操作，這使得電源在高頻下也能穩定工作，提高了電源的效率和性能。

功率因數優異

在20:1的負載電流范圍內，功率因數可達99%，這意味著電源能夠更有效地利用電能，減少電能的浪費，符合現代節能的要求。

保護功能完善

具備瞬時過壓保護和專用的過壓保護（OVP引腳），能及時響應過壓情況，保護電源和負載設備的安全。同時，它還具有最小的線電流死區，減少了電流失真，提高了電源的穩定性。

低功耗設計

典型啟動電源電流僅為250μA，靜態電流低至13mA，這使得電源在待機和輕載狀態下的功耗極低，延長了設備的續航時間。

驅動能力強

擁有快速的2A峰值電流柵極驅動器，能夠快速驅動功率MOSFET，提高了開關速度，減少了開關損耗。

軟啟動控制靈活

提供獨立的軟啟動控制，可根據不同的應用需求調整啟動時間，避免了啟動時的電流沖擊，保護了電源和負載設備。

應用領域

LT1509適用于通用功率因數校正電源和預調節器，廣泛應用于各種電子設備中，如計算機電源、通信電源、工業電源等。

詳細解析

工作原理

LT1509的PFC部分與LT1248 PFC控制器類似，但由于PFC和PWM內部同步，取消了EN/SYNC引腳。電流模式PWM部分（LT1508是電壓模式的對應產品）包含了將PFC預調節的高壓輸出轉換為隔離低壓輸出的所有初級側功能。PWM占空比內部限制在47%（最大50%），以防止變壓器飽和。當PFC輸出達到預設電壓時，PWM軟啟動開始；在短暫的線路失電情況下，當PFC輸出電壓降至預設值的73%以下時，PWM將關閉。

電氣特性

從電氣特性表中可以看出，LT1509在不同的工作條件下都能保持穩定的性能。例如，在欠壓鎖定狀態下，電源電流僅為0.25 - 0.45mA；在正常工作狀態下，電源電流為13 - 19mA。VCC開啟閾值為15.5 - 17.5V，關閉閾值為9.5 - 11.5V。這些參數為工程師在設計電源時提供了重要的參考依據。

典型性能特性

通過典型性能特性圖表，我們可以直觀地了解LT1509在不同工作條件下的性能表現。例如，PFC電壓放大器和電流放大器的開環增益和相位特性，參考電壓與溫度的關系，乘法器電流與IAC和VAOUT的關系等。這些特性有助于工程師優化電源設計，提高電源的性能和穩定性。

引腳功能

GTDR1（引腳1）：PFC MOSFET柵極驅動器，采用快速圖騰柱輸出，鉗位在15V。為防止過沖，需使用至少5Ω的柵極串聯電阻。
GND2（引腳2）：功率地，當GTDR1或GTDR2開關為低電平時，此線路會出現高電流尖峰。
GND1（引腳3）：模擬地。
CSET（引腳4）：該引腳到GND的電容和RSET決定振蕩器頻率，振蕩器斜坡為5V，頻率計算公式為(frequency = 1.5 / (R{SET} C{SET}))。
PKLIM（引腳5）：峰值電流限制比較器的閾值為GND。可通過從VREF到電流檢測電阻連接電阻分壓器來設置電流限制。
CAOUT（引腳6）：電流放大器的輸出，通過命令脈寬調制器來感應并迫使線電流跟隨來自乘法器的參考信號。當CAOUT為低電平時，調制器占空比為零。
ISENSE（引腳7）：電流放大器的反相輸入，該引腳通過ESD保護二極管鉗位在 - 0.6V。
MOUT（引腳8）：乘法器的高阻抗電流輸出和電流放大器的同相輸入，該引腳鉗位在 - 0.6V和3V。
IAC（引腳9）：乘法器的交流線電壓感應輸入，是一個偏置在2V的電流輸入，可最小化由低線電壓引起的交叉死區。在該引腳，一個25k電阻與電流輸入串聯，以便在高線阻抗環境中使用低通RC濾波器濾除來自線路的開關噪聲。
VAOUT（引腳10）：電壓誤差放大器的輸出，輸出鉗位在13.5V。當輸出低于2.5V時，乘法器輸出電流為零。
OVP（引腳11）：過壓比較器的輸入，閾值為參考電壓的1.05倍。當比較器觸發時，乘法器迅速抑制，使PFC開關空白，以防止進一步過沖。該引腳也是PWMOK比較器的輸入，當PFC輸出接近最終電壓時，釋放PWM軟啟動（SS2）。
VREF（引腳12）：7.5V參考電壓，當VCC變低時，VREF保持在0V。VREF為大多數內部電路提供偏置，并可向外提供高達5mA的電流。
VSENSE（引腳14）：電壓放大器的反相輸入。
SS1（引腳16）：軟啟動，當VCC低于鎖定閾值時，SS1復位為零；當VCC高于鎖定閾值時，SS1由內部12μA電流源和外部電容控制，以一定速率上升。在上升過程中，PFC參考電壓等于SS1電壓；當SS1超過7.5V時，參考電壓保持在7.5V。
VCC（引腳17）：芯片電源，需要良好的電源旁路，由一個0.1μF陶瓷電容和一個低ESR電解電容（56μF或更高）并聯，靠近IC GND。
SS2（引腳13）：PWM軟啟動，PWMOK比較器監測OVP引腳，當PFC輸出接近預設電壓時，釋放SS2。
VC（引腳18）：PWM電流模式控制電壓，通常連接到光耦放大器輸出，有一個50μA的上拉電流流出該引腳。
RAMP（引腳19）：PWM電流模式電流檢測輸入，電流限制設置為1V。
GTDR2（引腳20）：PWM MOSFET柵極驅動器，是一個1.5A快速圖騰柱輸出，鉗位在15V。為防止過沖，需使用至少5Ω的柵極串聯電阻。

應用信息

電壓誤差放大器

電壓誤差放大器具有100dB的直流增益和3MHz的單位增益頻率。輸出內部鉗位在13.3V（VCC = 18V時），當VCC小于12V時，最大誤差放大器輸出電壓降至(V_{CC} - 1.5V)。其非反相輸入通過二極管連接到7.5VREF，并可通過SS1引腳下拉。通過合理選擇電阻和電容的值，可以實現對電壓環的補償，提高電源的穩定性和精度。

電流放大器

電流放大器具有110dB的直流增益、3MHz的單位增益頻率和2V/μs的壓擺率，內部鉗位在8.5V。在電流平均操作中，為了最小化線電流失真，需要在兩倍線頻率處具有高增益。同時，為了避免次諧波振蕩，電流放大器在開關頻率處的增益不能過高。

乘法器

乘法器具有高抗噪性和出色的線性度，其電流增益計算公式為(I{M}=(I{AC} I{EA}^{2}) / (200 mu A^{2}))，其中(I{EA}=(VA{OUT} - 2V) / 25k)。為了避免將開關頻率噪聲引入乘法器，需要在IAC引腳使用低通濾波器。乘法器的最大輸出電流由RSET引腳到GND1的電阻決定，計算公式為(I{M(MAX)} = 3.75V / R_{SET})。

振蕩器頻率和最大線電流設置

振蕩器頻率由RSET和CSET決定，計算公式為(f{OSC} = 1.5 / (R{SET} C_{SET}))。在穩態操作中，通過合理選擇RS的值，可以使輸入電流跟隨輸入線電壓，保持恒定的母線電壓。同時，LT1509還提供了第二個獨立的電流限制比較器，用于進一步保護電源。

過壓保護

由于功率因數校正需要較慢的環路響應，在突然負載減少或移除時，可能會出現輸出過沖。LT1509通過過壓比較器來檢測輸出電壓，并迅速減少線電流需求，以保護下游組件。此外，為了在無負載或輕負載條件下調節輸出電壓，放大器M1會在VAOUT降至2.2V時提供電流，以抵消負的Vos，保持輸出電壓誤差在2V以內。

欠壓鎖定和軟啟動

LT1509在VCC達到16V時啟動，直到VCC降至10V以下才會進入鎖定狀態。在鎖定狀態下，振蕩器關閉，VREF和柵極驅動器引腳保持低電平。通過SS1和SS2引腳的軟啟動控制，可以避免啟動時的電流沖擊，保護電源和負載設備。

啟動和電源電壓

在芯片啟動前，LT1509僅消耗250μA的電流。可以通過從電源線到VCC連接一個91k電阻來提供涓流啟動電流，C4在開關啟動時保持VCC。啟動后，輔助繞組接管并提供工作電流。

輸出電容

GTDR2（PWM）脈沖與GTDR1（PFC）脈沖同步，延遲53%的占空比，以減少輸出電容中的RMS紋波電流。輸出電容的選擇需要考慮電壓紋波、保持時間和紋波電流等因素。

PWM比較器

LT1509的PWM部分包含兩個比較器，實現峰值電流模式控制。通過RAMP引腳和VC引腳的設置，可以控制初級峰值電流水平。片上消隱功能可以避免由于前沿噪聲引起的復位。

典型應用

圖9展示了一個24VDC、300W的功率因數校正通用輸入電源。該電源采用2晶體管正激變換器，具有低峰值電流、無耗散緩沖器、500VDC開關和自動磁芯復位等優點。通過使用LT1509的50%最大占空比保證了磁芯的復位。同時，通過光耦和參考放大器實現了從次級側到初級側的閉環控制，使輸入電流跟隨輸入線電壓，保持恒定的母線電壓。