智能交错：实现高效 AC-DC电源的先进 PFC 控制器

在最近于美国华盛顿举行的 APEC 2009 峰会上，飞兆半导体发布了交错式双临界导通模式 (Boundary Conduction Mode, BCM) 功率因数校正 (PFC) 控制器FAN9612。FAN9612 整合了数项新颖的创新性功能，旨在实现性能最大化，减少外部组件数目，提供 一系列稳健的保护功能，并提高效率。

图文：交错式临界导通模式PFC控制器效率最大化完善的转换器保护功能

交错是一种特殊的并联方式，即在两个或多个功率级 (通常称之为相位或通道) 之间存在独特的相位关系。为了保持两级设计所拥有的全部纹波电流消除优势，必须让各个通道彼此间相差 180 度同差。由于每个通道都是针对处理 50% 功率而设计的，故同步的中断或失败，尤其是在负载超过最大额定电流的 50% 时，就可能造成整个设计的崩溃。换言之，缺乏严格容限的同步算法不必要的推动对功率级冗余设计 (over design)的需求。FAN9612 采用飞兆半导体专有的同步方案 Sync-Lock? ，可确保软启动、软中止(Soft-Stop)期间以及所有瞬态和稳态工作条件下近乎完美的 180 度同步。如果某个故障模式导致一个信道无法工作，内部重启动定时器会被激活，相当于高效的功率限制，可防止此通道提供全额定功率。所有这些必须的同步和安全功能都完全由FAN9612处理，无需功率级冗余设计，从而获得针对效率、性能和可靠性高度优化的设计。

任何电源设计都要优先考虑启动，PFC 转换器也不例外。对大多数 PFC 应用而言，稳压输出电压设置点在 400V 范围之内，故只要有任何电压过冲，尤其是在软启动期间，就会对输出大电容和开关组件造成额外的应力。FAN9612 能够解决与启动有关的两大重要问题。第一是能够在整个启动程序期间保持闭环软启动。图1 所示为 FAN9612 专有软启动电路的功能实现及启动程序仿真。

图1 闭环软启动性能

通过把参考电压钳位为误差放大器反馈电压，软启动电容CSS 稍微预充电，加快初始化启动。更重要的是，误差放大器输出直接控制软启动充电电流 ISS(VCTRL)，因此，若误差放大器接近饱和，电流源就减小VSS(t)，确保对误差放大器输出电压的控制保持良好。不管在软启动周期内后级DC-DC 转换器从何处开始消耗 PFC 输出的功率，FAN9612 都可以在内部调节同相误差放大器输入以避免饱和，确保启动或重启动期间不会因瞬态故障条件而产生电压过冲。

除了闭环软启动工作模式之外，FAN9612 还具有通过 VOUT 电阻分压器网络直接启动的可选功能。对于没有足够的辅助偏置电源电压或待机电源的应用，启动任何高电压 IC 都必须对 VDD 电容进行充电，直到电压达到控制 IC 欠压锁定 (UVLO) 导通阈值为止。这一般需要额外的电路，因而会增加功耗及降低效率。有些设计人员会采用这种方法：当通过自举偏置 (bootstrap bia) 电源对 PFC 控制 IC 进行供电时，关断启动电路。虽然这种方案有助于降低功耗，但往往需要高侧开关和驱动电路，从而增加外部组件的数目。FAN9612 经特别设计，无需外部启动电阻即可启动。在 FB 和 VDD 之间增加一个小信号二极管 DSTART 即可提供一条经过 RFB1 的电流路径，见图 2 中的红色虚线。一旦内部 5V 参考电压有输出，小信号 MOSFET QSTART 就被开通，电阻反馈网络即从启动功能中解脱出来。另外也可以根据情况 ，忽略 DSTART 和 QSTART，采用传统的启动方法。

图2 交替式简化启动电路

对于感测 AC 输入电压的 PFC 电路，大多数控制器都需要一个外部两极滤波器来获得 RMS 线电压。虽然这对线路 UVLO (也称为 brown-out 保护，即电压过低保护) 是可接受的，但两极滤波器的慢速和低灵敏度会导致额外的线电流失真，从而妨碍利用 RMS 电压信息来实现任何部分的 PWM 控制，比如电压前馈。而 FAN9612 却能够通过感测 AC 输入电压的峰值来获得 RMS 值。由于 RMS 值与线电压峰值成比例，所需外部电路就从两极滤波器简化为一个简单的电阻分压器。如图 3 所示，FAN9612 利用经过分压(divided down) 的峰值电压信号来实现欠压保护 (VIN(UVLO))、输入过压保护 (VIN(OVP))，以及电压前馈 (VIN(VFF)) 这些 PWM 控制任务。RIN1 和 RIN2 的比值可用于设定 VIN(OVP) 、跳变点和欠压保护级。 FAN9612 独有的Brown out迟滞可编程特性，可通过内部 2μA 电流源和 RIN(HYS) 进行设置。

图3 输入电压感测电路

电压前馈为 PFC 转换器提供了数种优势。首先，控制环路增益变得与输入电压无关，这就大大简化了补偿任务，并有助于在线路瞬变期间保持更严格的输出电压调节。其次，输入电流仍为正弦波，即使在功率受限期间也可减少电流失真。第三，由于用户可编