使用模擬控制器構(gòu)建低成本無(wú)橋 PFC設(shè)計(jì)

我介紹了帶有標(biāo)準(zhǔn) PFC 控制器的半無(wú)橋 PFC 作為低成本、高效率 PFC 的候選者。由于效率要求不斷增長(zhǎng)，許多電源制造商開(kāi)始將注意力轉(zhuǎn)向無(wú)橋功率因數(shù)校正(PFC)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。一般而言，無(wú)橋PFC可以通過(guò)減少線路電流路徑中半導(dǎo)體元器件的數(shù)目來(lái)降低傳導(dǎo)損耗。盡管無(wú)橋PFC的概念已經(jīng)提出了許多年，但因其實(shí)施難度和控制復(fù)雜程度，阻礙了它成為一種主流拓?fù)?。本文重點(diǎn)介紹具有模擬轉(zhuǎn)換模式 PFC 控制器的半無(wú)橋 PFC 的關(guān)鍵設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。

大多數(shù)現(xiàn)今的數(shù)字電源控制器(例如：TI的融合數(shù)字電源控制器UCD30xx)都提供了許多的集成電源控制外設(shè)和一個(gè)電源管理內(nèi)核，例如：數(shù)字環(huán)路補(bǔ)償器，快速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，具有內(nèi)置停滯時(shí)間的高分辨率數(shù)字脈寬調(diào)制器(DPWM)，以及低功耗微控制器等。它們都對(duì)無(wú)橋PFC等復(fù)雜高性能電源設(shè)計(jì)具有好處。

標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換模式 PFC 控制器依靠電流檢測(cè)和零電流檢測(cè) (ZCD) 電路的檢測(cè)結(jié)果作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)的開(kāi)/關(guān)觸發(fā)器。電流檢測(cè)電路用于檢測(cè)電感電流的峰值以關(guān)閉開(kāi)關(guān)。ZCD 電路檢測(cè)電感電流的零電流點(diǎn)以打開(kāi)開(kāi)關(guān)。如圖 1 所示，半無(wú)橋 PFC 有兩個(gè)開(kāi)關(guān)腿，S 1和 S 2，而不是標(biāo)準(zhǔn) PFC 中的一個(gè)腿。最重要的任務(wù)變成了如何將兩個(gè)電流感應(yīng)信號(hào)從開(kāi)關(guān)腿饋送到一個(gè)電流感應(yīng)引腳，以及如何將兩個(gè) ZCD 信號(hào)饋送到標(biāo)準(zhǔn) PFC 控制器的一個(gè) ZCD 引腳。

圖 1. 半無(wú)橋 PFC 電路的功率級(jí)。

電流感應(yīng)設(shè)計(jì)

當(dāng)功率水平較高時(shí)，半無(wú)橋轉(zhuǎn)換模式 PFC 是有益的。此處推薦使用圖 2 所示的電流互感器電流檢測(cè)電路。代替使用與S 1和S 2串聯(lián)的電流檢測(cè)電阻器，使用電流互感器可以大大降低檢測(cè)電路的功耗。此外，帶有電流互感器的電流檢測(cè)電路中的二極管可確保檢測(cè)到來(lái)自所需開(kāi)關(guān)支路的峰值電流。

圖 2. 半無(wú)橋轉(zhuǎn)換模式 PFC 電路的電流檢測(cè)電路。

零電流檢測(cè)設(shè)計(jì)

在標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換模式升壓 PFC 電路中，零電流檢測(cè)通常通過(guò)檢測(cè)來(lái)自 PFC 電感器輔助繞組的電壓信號(hào)來(lái)完成(圖 3)。內(nèi)部比較器檢測(cè)輔助繞組上的電壓極性變化作為 S 1的開(kāi)啟信號(hào)。但是，該電路在半無(wú)橋 PFC 情況下是不切實(shí)際的。一種選擇是將用于過(guò)渡模式升壓 PFC 的 ZCD 電路應(yīng)用于半無(wú)橋 PFC 中的兩個(gè)電感器，其中阻塞二極管與 ZCD 限流電阻器串聯(lián)。然而，阻塞二極管擴(kuò)展了 V ZCD下降持續(xù)時(shí)間并使 ZCD 引腳對(duì)噪聲敏感，從而導(dǎo)致不正確的觸發(fā)和保護(hù)。串聯(lián) RC 不使用電感輔助繞組，而是提供了一種簡(jiǎn)單的檢測(cè)選項(xiàng)。當(dāng)S 1和S 2都關(guān)斷時(shí)，仍有一個(gè)開(kāi)關(guān)(一般為MOSFET)通過(guò)其體二極管導(dǎo)通電流。因此，在兩個(gè)開(kāi)關(guān)腿之間產(chǎn)生了電壓差。ZCD 電路中的電容器被充電并導(dǎo)致 V ZCD > V REF。當(dāng)電感電流達(dá)到零時(shí)，電壓差變?yōu)榱?，這使得 V ZCD < V REF 并觸發(fā)導(dǎo)通事件。

圖 3. 用于過(guò)渡模式升壓和半無(wú)橋 PFC 的零電流檢測(cè)電路。

上述電流感應(yīng)和 ZCD 電路已應(yīng)用于PMP9640?– 310W PSU，使用過(guò)渡模式無(wú)橋 PFC 和 LLC-SRC。PMP9640 中的半無(wú)橋 TM PFC 性能在圖 4 中與 PMP9531 中的標(biāo)準(zhǔn) TM PFC 設(shè)計(jì)進(jìn)行了比較。在輕載到中載范圍內(nèi)，半無(wú)橋 PFC 與升壓 PFC 相比，效率提高了接近 1%。

圖 4. PMP9531 中的轉(zhuǎn)換模式升壓 PFC和 TI 的PMP9640參考設(shè)計(jì)中的半無(wú)橋 TM PFC 的PFC 效率。