两种增强PFC段性能的方法

对于较低功率的应用而言，临界导电模式(CrM)(也称作边界、边界线甚至是瞬态导电模式)通常是首选的控制技术。这种控制技术简单，市场上有采用这种技术的不同的商用控制器，容易设计。然而，高输入电压时，如果输入和输出电压之间的差距小，PFC段会变得不稳定。本文将说明解决这种问题的方法。PFC段一个更加常见的问题是通常发生在启动时的大电流过冲，而不论采用的是何种控制技术。

　　临界导电模式工作

　　临界导电模式(CrM)工作是低功率应用中最常见的解决方案。这种控制方法可以采用可变频率控制原理来描述特征，即电感电流先上升至所需线路电流的2倍，然后下降至零，接着再上升至正电流，期间没有死区时间(dead-time)，如图1所示。这种控制方法需要电路精确地检测电感的磁芯复位。

　　图1 临界导电模式工作

　　零电流检测

　　确定退磁完成的常见解决方案在于感测电感电压，更具体地说，就是检测电感电压何时降至零。监测线圈电压并非经济的解决方案。相反，这升压电感与小型绕组相关，这绕组(称作“零电压检测器”或ZCD绕组)提供了电感电压的一个缩小版本，能够用于控制器上，如图2所示。ZCD绕组采用耦合形式，因而它在MOSFET导电时间(反激配置)期间呈现出负电压，如图3中所示。这绕组提供：

　　VAUX=-NVIN，当MOSFET导通时;

　　VAUX=N(VOUT-VIN)，当MOSFET开路时。

　　其中，N是辅助绕组与主绕组之间的匝数比。

　　图2 NCP1607驱动的应用段典型应用示意图

　　当ZCD电压(VAUX)开始下降时线圈电流会达到零。许多CrM控制器内部比较VAUX与接近0V的ZCD参考电压，检测出下降沿，并准时启动下一个驱动信号。为了实现强固的工作，应用了磁滞机制，并实际上产生较高的(upper)阈值(VAUX上升时有效)及较低的(lower)阈值(VAUX下降时有效)。出于不同原因(如安森美半导体NCP1607 PFC控制器中的ZCD引脚的多功能性)，在大多数商用器件中这些阈值都相对较高(在1V及2V之间)。

　　例如，NCP1607数据表中可以发现下述的ZCD阈值规范(引脚5是监测ZCD信号的电路)。

　　Vpin5上升：最低值为2.1V，典型值为2.3V，最大值为2.5V;

　　Vpin5下降：最低值为1.5V，典型值为1.6V，最大值为1.8V。

　　要恰当地检测零电流，VAUX信号必须高于较高的阈值。

　　图3 波形

　　极高输入线路时的不精确零电流检测

　　图4及图5显示出在高线路时会面对的一个问题。VAUX电压在退磁相位期间较小，而这时Vin较高，因为VAUX与输出输入电压差成正比VAUX=N(VOUT-VIN)。此外，如图4所示，输入电压在开关频率呈现出交流含量。因此，VAUX波形并不平坦，相反，它还包含纹波。在低线路时，这纹波可以忽略不计。在高线路时，VAUX幅度在退磁相位期间较小。因此，这些振荡可能大到足以导致过早检测电感磁芯复位。事实上，如图4和图5所示的那样，零电流检测的精度降低了。

　　图4 不精确零电流检测导致的不稳定性

　　图5 连续导电模式工作

　　图4显示出现不稳定性问题时高输入线路(正弦波顶端，此处Vin约为380V)下的VAUX电压。我们可以看到MOSFET关闭时，VAUX电压轻微跃升至高于ZCD阈值。由于其大纹波的缘故，在退磁相位期间，VAUX电压首先增加，然后下降。由于在某些开关周期的末段VAUX接近ZCD阈值，这VAUX电压下降导致零电压比较器在电感磁芯完全复位前就翻转(trip)。图5证实了这一论断。有时，升压二极管仍在导电时，PFC段开始新的周期。这个现象主要导致线路电流失真(见红色迹线)、功率因数退化，并可能有一些频率处在耳可听到的噪声。

改善高线路工作的简单调整方法

　　如图6所示，在VCC与引脚5(ZCD引脚)之间布设一颗电阻，能够减轻或抑制这个现象。这样一来，ZCD引脚上就产生了偏置。

　　图6 ZCD引脚上的调整

　　在测试的应用中，VCC为15V，且Rzcd=68kΩ。在VCC与引脚5之间增加一颗电阻Roff=680kΩ，就改变了施加在引脚5(ZCD引脚)上的电压。退磁相位期间ZCD引脚上施加的实际VAUX电压就变为：

(1)

　　然后，施加在引脚5上的电压就偏置。事实上，这就像是VAUX电压与减小了1.36V的ZCD阈值比较。这样一来，新的实际ZCD阈值就是：

　　Vpin5上升：最低值为0.74V，典型值为0.94V,最大值为1.14V;

　　Vpin5下降：最低值为0.14V，典型值为0.24V,最大值为0.44V。

　　这些降低的ZCD阈值增加了ZCD的精度，并能抑制CCM工作，在相同条件下获得的波特图(见图7)就证实了这一点。

　　图7 调整改善器件工作

　　必须注意，Vpin5下降(我们的案例中是1.5V)时，偏置必须保持在低于ZCD最低阈值。这是为了确保新的实际ZCD阈值(Vpin5下降时) 保持高于0V。否则，系统可能难于检测磁芯复位并因此启动新的开关序列。出于这个目的，应当考虑到VCC的变化。

　　启动时的大过冲

PFC段