采用PFC預調節器加速啟動(dòng)
采用PFC預調節器加速啟
通常，我們會(huì )利用一個(gè)低電壓環(huán)路（參見(jiàn)圖 2）對功率因數校正 (PFC) 預調節器升壓轉換器進(jìn)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(huán)路的設計以低于十七分之一的線(xiàn)頻率進(jìn)行電壓交叉 (cross over)。在一個(gè)線(xiàn)頻率為 60-Hz 的離線(xiàn)轉換器中，電壓環(huán)路以低于 10Hz 的頻率進(jìn)行電壓交叉。圖 3 顯示了線(xiàn)頻率為 60-Hz 的 PFC 預調節器離線(xiàn)工作時(shí)，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(diǎn)擊放大圖片)
圖 3 電壓環(huán)路頻率響應(點(diǎn)擊放大圖片)
對于電源設計人員來(lái)說(shuō)，電壓環(huán)路的小信號帶寬是一個(gè)非常嚴峻的挑戰。該環(huán)路對小信號變化響應的最短時(shí)間大約為 100ms，而該環(huán)路對大信號變化響應的時(shí)間可能要花上數百毫秒，如啟動(dòng)時(shí)的信號變化。啟動(dòng)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(huì )出現升壓電壓過(guò)沖現象。為了避免上電時(shí)的過(guò)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(guò)使用軟啟動(dòng) (SS) 功能來(lái)實(shí)現，大多數先進(jìn)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(gè)升壓轉換器，該轉換器通過(guò)平均電流模式控制得到輸入電流波形，以實(shí)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(gè)高于輸入電壓的輸出電壓，并且第二級需要對該電壓進(jìn)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(diǎn)擊放大圖片)
圖 1（見(jiàn)最后一頁(yè)）所示原理圖表明，PFC 預調節器設計用于在脫離通用線(xiàn)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(gè)功率級一般位于這個(gè)預調節器的下游，該預調節器是專(zhuān)門(mén)設計用于在輸入電壓為其輸出電壓的 75% 時(shí)正常工作，這樣便可以應對“欠壓”的情況。
所帶來(lái)的挑戰
在一些應用中，設計工作需要一個(gè)快速啟動(dòng)，而并不會(huì )選擇緩慢的升壓。加速軟啟動(dòng)最大的問(wèn)題是由升壓引起的過(guò)沖現象：圖 1 所示的升壓電容 (C12) 電氣應力。
需要設計一個(gè)如圖 1 所示的電路來(lái)實(shí)現在 300ms 時(shí)間以?xún)鹊能泦?dòng)。設計方面的要求是在 300ms 時(shí)間內升壓不超過(guò)其目標輸出電壓的 75%。圖 5 的波形反應了該設計的軟啟動(dòng)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(dòng) (SS) 電壓，而 CH4 則是指來(lái)自 UCC3817 的DRVOUT 引腳的柵極驅動(dòng)信號。UCC3817 控制升壓開(kāi)關(guān) Q1。
圖 5 典型的 PFC 預調節器啟動(dòng)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(dòng) (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(méi)有跟蹤 SS，而是在上電過(guò)程中出現過(guò)沖，并達到將近 13% 的過(guò)沖量，大約 435V 的峰值。從圖 3 的波形可以觀(guān)察到，控制 IC 的軟啟動(dòng)功能運行正常。輸出電壓和 VAOUT 會(huì )跟蹤軟啟動(dòng)，一直到輸出電壓達到 385V。一旦 VOUT 超過(guò) 385V，由于需要一個(gè)最小的占空比，電壓放大器輸出會(huì )降低，但是電壓環(huán)路響應太慢而無(wú)法避免出現過(guò)沖現象。
解決方案
圖 6 所示的簡(jiǎn)易電路可以用于消除過(guò)沖現象，并加速電源啟動(dòng)特性。通過(guò)去除 R3 和 C4 并連接額外電路，便可實(shí)現這樣的電路。如欲了解完整的電路實(shí)施過(guò)程，請參見(jiàn)圖 1 和圖 6。
圖 6 過(guò)沖抑制電路
工作原理
電壓環(huán)路會(huì )將 VSENSE 引腳電壓調節到大約 7.5V。電路的功能是加載一個(gè) 2V 電壓至 VSENSE 引腳，該引腳在上電期間會(huì )欺騙 (fooling) 電壓放大器。當升壓達到其調節輸出電壓的 75% 時(shí)，這種做法將會(huì )導致 Q1 的柵極驅動(dòng)關(guān)閉，從而降低上電期間輸出端的過(guò)沖峰值數量。
該電路充分利用了軟啟動(dòng)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(dòng) (SS) 引腳會(huì )提供 10A 的充電電流，當 SS 引腳電壓達到一個(gè) 5-V 直流電的電平時(shí)，才會(huì )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(shí)序。在對電容器 C4 進(jìn)行充電時(shí)，晶體管 QA 開(kāi)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(guò)其依次給 VSENSE 引腳加載一個(gè)大約 2V 的電壓。待電容器 CA 完全充電后，晶體管 QA 關(guān)閉，從而使電路失效。
電路實(shí)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(dòng)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(dòng) (SS) 電壓，而 CH4 則是指來(lái)自 UCC3817 的 DRVOUT 引腳的柵極驅動(dòng)信號。UCC3817 控制升壓開(kāi)關(guān) Q1。在該波形中，我們可以觀(guān)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(shí)間內被調節至額定電壓的 75%。
圖 7 具有過(guò)沖抑制電路的啟動(dòng)
結論
為了滿(mǎn)足 THD 和 PF 要求，PFC 預調節器的環(huán)路頻率通常約為 10Hz。電壓環(huán)路需要近 500ms 的時(shí)間來(lái)對大信號瞬態(tài)進(jìn)行響應，例如：?jiǎn)?dòng)等。為了解決該問(wèn)題，電源設計人員通常的做法是，使他們設計的軟啟動(dòng)功能變慢。然而，使用上述簡(jiǎn)易電路不但可以減少過(guò)沖現象，而且還可以縮短預調節器上電的時(shí)間。
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