采用PFC預調節(jié)器加速啟動

通常，我們會利用一個低電壓環(huán)路（參見圖 2）對功率因數校正 (PFC) 預調節(jié)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(jié)器的小信號電壓環(huán)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(huán)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(jié)器離線工作時，其典型的電壓環(huán)路頻率響應情況。

圖 2 電壓環(huán)路控制結構圖(點擊放大圖片)

圖 3 電壓環(huán)路頻率響應(點擊放大圖片)

對于電源設計人員來說，電壓環(huán)路的小信號帶寬是一個非常嚴峻的挑戰(zhàn)。該環(huán)路對小信號變化響應的最短時間大約為 100ms，而該環(huán)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(huán)路對大信號瞬態(tài)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(jié)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(jié)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(jié)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(jié)為 385v 和 250w。第二個功率級一般位于這個預調節(jié)器的下游，該預調節(jié)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(zhàn)

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(jié)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(huán)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(huán)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(huán)路會將 VSENSE 引腳電壓調節(jié)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(jié)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(jié)器中。圖 7 所示的示波器圖表明了升壓調節(jié)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(jié)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(jié)器的環(huán)路頻率通常約為 10Hz。電壓環(huán)路需要近 500ms 的時間來對大信號瞬態(tài)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(jié)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(yè)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(fā)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(yè)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(fā)送郵件至 michael_oloughlin@ti.com。

圖 1 典型的 PFC 應用