单周期控制PFC原理

单周期控制PFC电路研究及芯片应用介绍（）摘要：目前一些新型功率因数校正芯片使用的单周期控制技术（One-CycleControl，OCC）无需传统PFC芯片所需的模拟放大器、输入电压采样，以及固定的三角波振荡器。大大简化了PFC电路的设计和缩小了装置体积，为电源PFC级提供了简便、灵活、高密度的解决方案。本文详细分析了新型单周期控制PFC电路的原理及电路实现并介绍了两种使用了单周期控制技术的PFC芯片。通过实验验证了单周期控制是一种简便易用而且性能优异的PFC控制方法。关键词：功率因数校正；单周期控制；IR1150S；ICE1PCS01；PowerFactorCorrectionCircuitsBasedOnOne-CycleControlTechniqueWANGFanWANGZhi-qiang(ElectricEngineeringCollege，SouthChinaUniversityofTechnology，Guangzhou510641China)Abstract：NowadaysnewgenerationPowerFactorCorrectioncircuitsbasedonOne-CycleControl(OCC)techniquedeliverthehighperformanceofContinuousConductionMode(CCM)PFC.OCCdoesnotneedthetraditionalanalogmultiplier,AClinesensingorfixedoscillatorramp.ThispaperanalysisthetheoryofOCCandintroducetwokindsofPFCICsusingOCCtechnique.Theexperimentsshowboththeflexibilityandgoodperformanceofthem.Keywords：Powerfactorcorrection;One-Cycle-Control;IR1150S;ICE1PCS010引言开关电源以其效率高，功率密度大而在电源领域中应用越来越广。但传统的桥式整流，大电容滤波的开关电源存在一个致命的弱点：低功率因数，一般为0.45～0.75。而且其无功分量基本上为高次谐波。目前各国都对开关电源装置的输入谐波要求制定了标准，多数开关电源都需要加装PFC级来满足功率因数以及谐波含量的要求。然而，传统功率因数矫正电路技术复杂、设计步骤繁琐、所需元件多、体积大而且成本高，例如使用经典的UC3854芯片开发的PFC电路。因此设计时其往往要在性能和成本之间进行折衷。近年来单级PFC的研究集中于如何简化传统的PFC控制电路结构，避免对输入电压采样和使用复杂的模拟乘法器。文献[1]中提出的单周期控制（One-CycleControl，OCC）的PFC电路很好的解决了这个问题。目前已有两种基于单周期控制的PFC芯片，它们不仅简便可靠，而且外围所需元件少。为PFC电路的设计提供了一种全球适用的优秀解决方案。1单周期控制技术分析1.1单周期控制PFC电路的原理及电路实现PFC电路的控制目的是要使电感电流gi的低频波形（50Hz或60Hz）跟随整流后的输入电压波形gv，同时又要保持输出电压为oV（允许一定纹波）。若控制电路的控制策略满足了电感电流与输入电压成比例且相位一致，整个变换器可以等效为一个电阻eR。则：gegvRi=×（1）式中：eR为PFC变换器的等效电阻gi为电感电流瞬时值gv为整流后的半波正弦输入电压瞬时值对于BoostPFC变换器来说，其输入电压、输出电压和开关管占空比d的关系为：()1govVd=×−（2）合并式（1）和式（2）可得：()1egoRiVd×=×−（3）定义sR为PFC变换器中电流检测电阻。将式（3）两边同乘以sR可得：()1ossgeVRRidR××=×−（4）令osmeVRVR×=，化简并整理：mgsmViRVd−=或gsmiRVd=（5）式中1dd=−为开关管的关断占空比。该式即为单周期控制PFC电路最重要的数学模型。mV在理论上是与oV成比例的直流电压，若占空比d或d可以满足式（5），则可以保证电感电流gi与半波正弦输入电压gv一致，实现PFC功能。设变换器的开关周期为T，构造单周期控制方程组：01()()012()02mgsdTmVtVitRTVtVdtTττπ=−⎧⎪Ι⎨=⎪⎩∫（5）或者：01()()012()02gsdTmVtitRTVtVdtTττπ=⎧⎪ΙΙ⎨=⎪⎩∫(6)控制方程组有式（5）和式（6）两种类型，它们分别对应着控制开关管开通占空比和控制开关管关断占空比。它们在电路实现上最关键的区别就是式（5）控制方程对应的电路中时钟信号CLOCK是开关管开通的控制信号，而式（6）的电路中时钟信号CLOCK是开关管关断的控制信号。所以也将式（5）的控制模式称作“后沿调制”，式（6）的控制模式称作“前沿调制”。由控制方程组可知，只要通过电路实现1()Vt和2()Vt的比较即可确定占空比d和d。gi可通过采样输入电感电流获得。而2()Vt中的积分项是由带有复位开关的积分环节实现的。1.2单周期控制PFC电路的工作模式及特点图1和图2分别给出了基于Boost拓扑的“后沿调制”模式单周期控制PFC电路和关键波形。ACL1Q1D1CoRoCOMPOP1驱动电路CLOCKC3S1FFSRQrefVoV+_+_RbRaC1C2R1I/VmV1()()mgesVtVitR=−()gesitR012()dTmVtVdTτ=∫QImV图1基于Boost拓扑的“后沿调制”型单周期控制PFC电路图1中输出电压oV通过电阻aR和bR分压后接入误差放大器OP1反向输入端,通过PI调节得到控制电压mV。mV一路与电感电流检测信号()gsitR运算得到1()Vt，另一路经过带有复位开关的积分器得到2()Vt。之后1()Vt与2()Vt接入比较器COMP进行比较，以确定开关管占空比d。τdTmV0dTmVdτ∫()gesitR×d()1()mgesVtVitR=−×1t2t3t图2“后沿调制”型单周期控制PFC电路波形图参考图2的波形，一个周期内的工作状态如下所述：首先1t时刻时钟CLOCK产生的脉冲将RS触发器置位。Q端输出高电平，通过驱动电路开通开关管。同时，运放OP3构成的积分器工作，三角波2()Vt开始上升。直到2t时刻2()Vt达到1()Vt的幅值，比较器COMP翻转输出高电平将RS触发器复位。Q端输出低电平，开关管关断。直到下一个周期初始CLOCK时钟来临（3t时刻）又开始重复上述过程。图3与图4分别给出了基于Boost拓扑的“前沿调制”模式单周期控制PFC电路和关键波形，其工作模式与“后沿调制”模式本质相同，故不再累述其工作过程。下面对两种工作模式的特点和区别做出说明。QrefVmV1()()gesVtitR=()gesitRQ012()dTmVtVdTτ=∫oV图3基于Boost拓扑的“前沿调制”型单周期控制PFC电路1t2t3tτdT0dTmVdτ∫()1()gesVtitR=×dmV图4“前沿调制”型单周期控制PFC电路波形图“后沿调制”型单周期控制和大多数普通的PWM控制方式一样是通过调制开关管的开通占空比d来实现所需控制的。这种控制方式中时钟信号CLOCK是用来触发开关管驱动的上升沿，而驱动的下降沿则是通过比较器来触发的。而“前沿调制”型单周期控制模式固定开关管的关断时刻，调整开关管的开通时刻来实现的。可以简单的看作是通过调制开关管的关断占空比d来达到控制目的。由两种调制模式的波形图可以看出，“后沿调制”模式中1()2()VtVt=时对应了电感电流达到了该周期内的最大峰值，也就是说该种控制模式是一种峰值电流模式控制。而且之需要开关管的电流参与比较，即可确定开通占空比d。“前沿调制”模式中，当电感电流下降到与mV的积分电压相交时，比较器反转触发了开关管驱动的上升沿。这种模式理论上只需要电感电流的下降沿即Boost电路中二极管电流即可确定关断占空比d。但是实际使用中，若只采样二极管电流，则在电路启动时刻图3-7中比较器COMP的正向输入端将无任何信号，比较器COMP的输出一直为高，开关管一直导通。不过如果采样全电感电流则不会遇到这个问题。所以“前沿调制”型单周期控制PFC电路若考虑只采样二极管电流就需要设计一个完善的启动电路。2单周期控制PFC芯片介绍目前使用了单周期控制技术的功率因数校正芯片只有两种，分别是2003年英飞凌（InfineonTechnologiesAG）推出的ICE1PCS01和2005年国际整流器公司（InternationalRectifier）推出的IR1150S。ICE1PCS01采用了“前沿调制”单周期控制技术，而IR1150S采用了“后沿调制”技术。它们均为8脚封装，在管脚定义和使用方式上都极为相似。2.1“前沿调制”型单周期芯片—ICE1PCS01ICE1PCS01是一种平均电流模式控制的PFC芯片。它采用8脚封装，比传统的基于乘法器的平均电流模式芯片要简单很多，而且无需输入电压的采样。以下为ICE1PCS01的一些主要特性[4]:z85V～265V宽线电压输入范围z平均电流模式控制，降低电感电流纹波及EMIz通过调节外置频率设定电阻，工作频率可以在50kHz-250kHzz单周电流峰值限制z输出过压、欠压、开路保护等z增强性的动态响应z可限制启动电流的软启动功能表1ICE1PCS01的管脚功能说明ICE1PCS01的内部结构和图3给出的“前沿调制”控制的原理图基本一致，但也有些在实际应用中的改动，下面就对其特点作补充说明：一般在PFC电路中电流采样获得的是与电感电流成比例的负电压。该电压输入ICE1PCS01的ISENSE脚后接入内部跨导运放OTA的正向输入端，跨导运放和ICOMP脚外接的补偿电容icompC构成一个滤波环节，将输入ISENSE的带有纹波的、反映电感瞬时电流的电压波形滤波为一个反映电感平均电流的正向电压波形，之后再与mV积分形成的锯齿波比较。ICE1PCS01芯片内部输入比较器COMP正向输入端的信号和图3中的理论控制模式有所不同。图3中典型的“前沿调制”控制模式中采用反映电感电流信号的gsiR波与锯齿波做比较，gsiR的波形带有电感电流纹波，如图4中的V1(t)。但是ICE1PCS01芯片通过跨导运放OTA和外接的icompC将电感电流波形滤波后将得到平滑的icompV波形，该波形反映的是电感平均电流，所以ICE1PCS01是平均电流控制模式控制的PFC芯片。虽然它使用的是“前沿调制”模式控制，但是需要采样整个电感电流。3.2“后沿调制”型单周期芯片——IR1150SIR1150S是IR公司2005年推出的基于“后沿调制”模式的单周期PFC控制芯片。它的原理与前述的“后沿调制”模式控制完全一致，是一种既可以通过检测电感电流又可以只检测开关管电流来实现PFC功能的峰值电流控制模式的功率因数校正芯片。表2为芯片的管脚功能说明。表2IR1150S的管脚功能说明[2]IR1150S无论在管脚功能和使用方式上都同ICE1PCS01极为相似。不过IR1150S简化了电流环，可直接使用简单滤波后的电感电流检测值来工作。所以无需电流环补偿电容。根据前述的“后沿调制”模式的单周期控制PFC电路原理可知，该芯片支持仅采样开关管电流即可工作，这个功能大大简化了PFC电路电流的采样方式，而且减小了电阻采样电流时的损耗。该芯片还提供了单独的OVP脚来实现输出过压保护，并且通过将OVP脚拉底至0.62V以下，芯片进入电流消耗仅为200uA的“休眠模式”。这对于某些大功率电源在轻载时候通过关闭PFC级来减小损耗是非常方便的。IR1150S相对于ICE1PCS01在电流环上的简化使得仅采用开关管电流进行控制成为可能，但降低了电路的抗噪声能力。ISNS脚必须外加RC构成的低通滤波器才能更好的工作。实验过程中，IR1150S这种