新一代单片PFC+PWM控制器

关键词：PFC；PWM；大功率开关电源；占空比；谐波干扰

１　引言

美国ＣＭＣ半导体公司推出的单片ＰＦＣ＋ＰＷＭ控制器ＣＭ６８ｘｘ和ＣＭ６９ｘｘ系列产品，由于采用了ＬＥＴＥ（上升沿调制ＰＦＣ／下降沿调制ＰＷＭ）和ＴＭ（增益调制技术）等专利技术?从而使ＣＭ６８ｘｘ和ＣＭ６９ｘｘ这两种系列芯片的增升电容可以做到非常小，从而节省无功功耗和元件成本。另外，也可提供全面保护（如电压保护、过压保护、过流保护、短路保护及过热保护等）功能，其主动式的ＰＦＣ（功率因子校正）可使功率因子接近１。ＣＭ６８ｘｘ系列和ＣＭ６９ｘｘ系列涵盖了从５０Ｗ到５０００Ｗ的应用，这使得它们可以广泛地应用于ＰＣ电源、空调、大屏幕彩电、监视器、ＵＰＳ、ＡＣ ａｄａｐｔｏｒ等众多需要开关电源的应用领域。ＣＭ６８００与ＣＭ６９０３的软启动电流仅为１００μＡ，其中ＣＭ６８００采用ＤＩＰ１６封装，ＣＭ６９０３为ＳＩＰ９封装，它们均具有极高的性价比。本文仅介绍大功率产品ＣＭ６８００的结构、特点及应用。

２ ＣＭ６８００／１的主要特点

ＣＭ６８００／１内含脉宽调制控制器，能促进小型低成本大容量电容在开关电源设计中的应用。同时该产品还可降低电力线路负载，减小场效应管的应力，从而设计出完全符合ＩＥＣ－１０００－３－２规范的开关电源产品。

ＣＭ６８００／１的主要特性如下：

●ＰＷＭ部分添加了反向限流；

●２３Ｖ Ｂｉ－ＣＭＯＳ处理；

图2

●通过ＶＩＮ ＯＫ可保证以２．５Ｖ而不是１．５Ｖ运作ＰＷＭ；

●具有同步的前沿ＰＦＣ及后沿ＰＷＭ；

●为超快ＰＦＣ响应提供有高转换率误差放大器；

●具有低启动电流(１００μＡ ｔｙｐｅ．)和低工作电流(３．０ｍＡ ｔｙｐｅ．)特性；

●低ＴＨＤ、高ＰＦ；

●利用ＰＦＣ与ＰＷＭ之间的存储电容可减小纹波电流；

●具有平均电流控制模式，同时具有连续或非连续工作模式的ｂｏｏｓｔ型前沿ＰＦＣ；

●内含ＶＣＣ ＯＶＰ 比较器，可低功率检测；

●ＰＷＭ电路既可以采用电流模式，也可以采用电压模式工作；

●可通过电流反馈增益调节器改善电路的噪声影响；

● 内部含有断电保护、过压保护、欠压锁定(ＵＶＬＯ)、软启动及电压参考电路。

３　ＣＭ６８００／１的引脚功能及参数

３．１ 引脚功能

ＣＭ６８００／１电源控制器具有ＳＯＰ－１６（Ｓ１６）和ＰＤＩＰ－１６(Ｐ１６)两种封装形式，两种封装的工作温度范围均为－４０℃～＋１２５℃，图１所示是ＣＭ６８００／０１的引脚排列图。表１给出了它们各引脚功能及该脚的工作电压。

表1 CM6800/1引脚功能及工作电压

３．２ 主要参数

ＣＭ６８００／１的主要参数如下：

● 器件最高工作电压Ｖｃｃ为２３Ｖ；

● ＰＦＣ最大输出电流为１Ａ；

● ＰＷＭ最大输出电流为１Ａ；

● ＩＡＣ最大输入电流为１ｍＡ；

● ＩＲＥＦ最大输入电流为１０ｍＡ；

● ＰＦＣ、ＰＷＭ的输出电压范围均为(ＧＮＤ－０．３)～(ＶＣＣ＋０．３)Ｖ；

● ＩＥＡＯ 脚的电压为０～４．５Ｖ；

● 片内振荡器的振荡频率：６６～７５．５ｋＨｚ(ＴＡ＝２５℃)；

● ＰＦＣ占空比范围为０～９５％；

● ＰＷＭ占空比范围为０～４９．３％；

● 软启动电流典型值为１００μＡ；

● 操作电流典型值为３．０ｍＡ；

● 欠压锁定门限电压典型值为１３Ｖ。

图5

４　ＣＭ６８００／１的内部结构原理

ＣＭ６８００／１的内部结构框图如图２所示，它由一个平均控制电流以及连续的ｂｏｏｓｔ同步前沿ＰＦＣ和后沿ＰＷＭ组成，其中ＰＷＭ既可用于电流模式又可用于电压模式。而在电压模式中，与ＰＦＣ输出相接的前馈控制电路可改善ＰＷＭ的线性控制规则；在电流模式中，ＰＷＭ通常用下降沿（后沿）调制方式，而ＰＦＣ则用上升沿（前沿）调制。这种前、后沿调制专利技术的运用使得ＰＦＣ的误差放大器具有较宽的带宽，而且能够有效地减小与ＰＦＣ ＤＣ端相连的电容的尺寸。

ＣＭ６８００／１具有功率因数校正和大量的保护功能，其中包括软启动、ＰＦＣ过压保护、峰值电流限制、断电保护、占空比限制及欠压锁定等。

由图２可知，ＰＦＣ部分由增益调节器、电压误差放大器、电流误差放大器、过压比较器、ＰＦＣ限流比较器、电压参考电路及振荡器等组成。其中增益调节器是ＰＦＣ的主要部分，它可以对干线电压波形、频率、ＲＭＳ线上电压、ＰＦＣ输出电压以及整个电流反馈的响应进行控制。ＰＷＭ部分由脉宽调制器、ＰＷＭ限流比较器、ＶＩＮ ＯＫ比较器、ＰＷＭ控制（ＲＡＭＰ２）电路（电流模式及电压模式）、软启动电路、占空比限制电路及直流限流比较器等组成。这一部分最重要的问题是和ＰＦＣ部分的内部同步问题，其同步特性简化了ＰＷＭ的补偿电路，它主要靠ＰＦＣ的输出电容（即ＰＷＭ输入电容）来对纹波进行控制，而且ＰＷＭ的工作频率与ＰＦＣ相同。

图6

ＣＭ６８００／１突出的优点是采用了同步的前沿ＰＦＣ和后沿ＰＷＭ调制技术。ＰＷＭ的后沿调制是在系统时钟的后沿开关将要接通时进行的。其方法是将误差放大器的输出和调制的斜坡电压进行比较，然后在开关接通期间确定其后沿调制的有效占空比，图３所示是其后沿调制示意图。而前沿调制是在系统时钟的前沿开关断开时进行的，其方法是当调制斜坡电压达到误差放大器输出电压时，开关接通，并在开关断开期间确定前沿调制的有效占空比，图４所示是其前沿调制原理示意图。

这种控制技术的优点之一是只需要一个系统时钟，开关１（ＳＷ１）断开和开关２（ＳＷ２）接通可在同一瞬间将瞬时的“ｎｏ－ｌｏａｄ”周期减至最小，从而通过开关作用得到较低的纹波电压?同时在同步开关作用下减小前端的纹波电压。采用这种方法，可将１２０Ｈｚ的ＰＦＣ的输出纹波电压改善３０％。

５　ＣＭ６８００／１的应用

ＣＭ６８００／１集成芯片可广泛应用于大功率开关电源中，图５是ＣＭ６８００／１芯片以电流模式工作的应用电路，图６是芯片工作在电压模式的应用电路。在电流模式应用中，ＲＡＭＰ２端的信号可直接从电流感应电阻Ｒ１９得到，且在变换器的输出期间为一个典型的电流。同时，ＤＣＩＬＩＭＩＴ可用于提供周期性的限制电流，在该应用中，它可直接和ＲＡＭＰ２连在一起，而且ＤＣＩＬＩＭＩＴ输入还可用于输出进行过流保护。而在电压模式应用时，ＲＡＭＰ２端和一个ＲＣ定时电路（Ｒ６２、Ｃ５０）连接在一起，可产生一个斜坡电压，其最小值为０Ｖ，最大值约为５Ｖ。需要说明的是：应用与ＰＦＣ输出相连接的前馈电路可为ＰＷＭ提供一个理想的周期斜坡信号，这对改善其线性规则的准确性和响应有一定帮助。