临界导电交错模式PFC控制R2A20112原理及应用

1 引言

对于高于25 W照明产品和高于75 W具有开关电源的电子设备功率因数校正(PFC)已成为一项强制性要求。PFC有多种分类方法，根据PFC升压变换器电感器电流流动方式，主要分为连续导电模式(CCM)和临界导电模式。CCM-PFC可实现高达0.995的功率因数和低于5％的总电流谐波失真(THD)，但电路拓扑复杂，成本较高，而临界导电模式亦称转换模式(TM)，其优点是电路拓扑简单，但不能达到超低THD，而且电磁干扰(EMI)较大。Re-nesas公司最近推出的R2A20112单片IC，是一款采用交错方法的临界模式PFC控制器。基于R2A20112的临界模式交错双相PFC升压变换器，可缩减输入／输出电容及EMI滤波器元件尺寸，提高轻载条件下的效率，使电子照明产品和数字电视、PC及人门级(entry level)服务器等消费类应用产品IEC1000-3-2、EN61000-3-2标准和能源之星(Energy Star)等规范要求。

2 引脚功能及主要特点

R2A20112采用16引脚SOP和16引脚DILP无铅封装，引脚排列如图1所示。

 　　R2A20112各个引脚功能见表1所列。
 

　　R2A20112的主要电气特性如下：最大允许电源电压Vcc(max):24 V；参考输出电压VREF：5 V(1±3％)；欠电压锁定(UVLO)启动电压VH:10.5 V±0.7 V；UVLO工作关闭电压：VL:9.3 V±0.5 V；UVLO滞后电压VYSUVL:1.2 V+0.5 V。
　　R2A20112的主要功能如下：升压变器换控制带临界导电模式；交错控制；过电压保护：模式1：动态过电压保护对应于负载变化引起的电压上升；模式2：静态OVP对应稳压丰的过电压；反馈环路开路检测；主／从变换器独立过电流保护(OCP)；280μs的重新启动定时器。

3 工作原理

R2A20112的内部功能框图如图2所示。交错临界PFC控制器含有主从2个零电流检测器(ZCD-M／ZCD-S)和2个MOSFET驱动器(GD-M／GD-S)。与常规临界模式PFC控制器不同的是，R2A20112不仅含有乘法器，而且带有振荡器，因而具有CCM-PFC的某些特性。

临界导电PFC升压拓扑图如图3(a)所示。图3(b)所示为基于R2A20112控制IC的PFC升压拓扑。由图3(b)可以看出，电路含有主从2个PFC开关(Q1与Q2)、2个升压电感器(L1与L2)和2个升压二极管(D5与D6)，输入和输出电容(CIN与C0)共用。

 
　　R2A20112控制2个升压PWM电源变换器，每个变换器的电感电流斜升到峰值时，则关断PFC开关(MOSFET)，直到电感电流衰减至零为止。一旦电感电流降至为零，MOSFET再次导通，开始新的开关周期，电感电流从零开始再次斜升。开／关循环产生基角波电感电流，一个开关周期中的峰值电感电流IPK(t)与导通时间TON和瞬时AC线路输入电压VAC(t)确定电感值L为

　　平均输入电流为峰值电感电流的一半，即：
 

　　由于平均输入电流正比于AC输入电压，从而实现电流波形整形，即功率因数校正。由于两个PWM输出相位差为180°，导致两个升压变换器输人和输出纹波电流大幅减小，可选用小尺寸的输入和输出电容，改善EMI特性。 

　　4 应用电路

基于R2A20112的40 W通用AC输入临界交错模式PFC升压变换器电路图如4所示。其中，CIN为输入电容，用于滤除高频电感电流；C01、C02为输出储能电容；Q1、Q2分别为两相升压变换器的主／从开关；L1、L2分别为主／从升压电感；D1、D2分别为主／从／升压二极管；L1、L2的附加绕组分别为主／从零电流检测(ZCD)传感器。

电感器(L1、L2)是电路中的关键元件。PFC升压变换器AC输入电压范围为85 V～265 V，DC输出电压V0=385 V，输出功率P0=400 W，若效率η=90％，最低开关频率fmin=40 kHz，计算电感值。

　　平均输入电流IAVG可按式(2)计算：

　　在最高峰值AC输入电压上，每个开关周期之后复位ACD比较器，L1和L2的辅助绕组应至少提供2 V的电压。L1和L2与附加绕组匝数比为：

 
　　5 结束语
　　在临界导电模式交错工作的PFC控制器R2A-20211，为两相PFC升压变换器产生180°的输出相位差，减小输入和输出电容的纹波电流，并降低EMI。交错两个PFC方案，是一种创新PFC方法，倍受业界关注。