用于AC-DC功率变换器中的PFC&PWM为一体控制器特征及应用分析

1、综述

在AC-DC功率变换器中,其 (PFC)与脉冲宽度调制(PWM)是该开关电源减少电网污染,提高放效率的关键部分.根据在240W AC-DC开关电源的研发,值此将此引脚较少、功能丰富、高可靠的功率因素校正器(PFC)与脉冲宽度调制(PWM)合为一体的控制器ML4803芯片结构特性与应用作一介绍.

ML4803芯片是一种(美国Micro Linear公司产)8引脚节省空间的功率因素校正器(PFC)与脉冲宽度调制(PWM)合为一体的控制器(其内部结构组成与引脚图见图1所示)，可用于校正功率因素及控制调节开关电源，它只需要很低的起动电流和运行电流.图2为ML4803芯片在交流220v 240W输入 12VDC输出的AC-DC通用变换器中的应用实例.

该功率因素校正器(PFC)使用较小容量和较便宜的高压储能电容器，降低了输电线的负荷及开关FET(场效应管)的应力，从而使电源完全符合IECl000-3-2的规格。ML4803控制器包括的电路有前沿的PFC、电流“升压(boost)”型PFC和后边沿的脉冲宽度调制(PWM) 。

ML4803-1的PFC和PWM都在同样的频率下工作，即67kHz。ML4803-2的PFC频率能自动地计定在PWM频率134kHz的一半上。这种较高的频率使得用户可用较小的PWM组件来设计，同时保持PFC的最佳运行频率。如一旦发生突然的负荷下降，过电压比较器能关闭PFC部分。而PFC部分也包括了提高系统可靠性的峰值电流限制。

从图1所示可见其ML4803特点为：

* 一个8引脚的IC中内置同步的PFC和PWM控制

* 具有先进的输入电流成形技术的单脚电压误差放大器

* 峰值电流或平均电流，连续升压，前沿PFC校正(输入电流成形技术)

* 高效率的后沿电流模式PWM

* 低的馈电电流 ： 起动为一般150pA；运行为一般2mA

* 同步的前沿和后沿调节

* 减少PFC和PWM间的储能电容器中的脉动电流

* 过电压、欠电压和电压降低的保护

* PFC软起动同时具有PFC的Vcc过电压保护

2、ML4803绝对最大额定值

绝对最大额定值指的是这样的值，如果超过了它们，设备就要受到永久性的破坏。绝对最大额定值只是应力额定值，不包括功能性的设备运行。其主要参数最大额定值：Icc电流(平均值)为40mA；VccMAX为18.3V；ISENSE电压为-5V至1V；任何其他接脚上的电压为GND-0.3V到Vcc+0.3V；峰值PFCOUT电流为1A；峰值PWMOUT电流为1A.而其运行条件-温度范围: ML4803CX-X为0℃至70℃；ML48031X-X 为-40℃至85℃。

3、ML4803结构特点与所具功能

3.1结构特点

从图1内部结构上看,ML4803前端是一个平均电流模式升压功率因素校正控制器(PFC)，后面是一个同步的脉冲宽度调制(PWM)控制器。它区别于早期的组合控制器就在于它的接脚数量少，有创新的输入电流成形技术，以及很低的起动和运行电流。

PWM这部分使用了峰值电流模式运行,它使用传统的后边沿调制，而PFC则使用前沿调制。这种独特的前沿／后边沿(LETE)调制技术，有助于使PFC DC电容器中的脉动电流减到最小。

ML4803可提供两种型号。ML4803—1在67kHz情况下可操作PFC和PWM两个部分，而ML4803-2则两倍于PFC的频率(134kHz)的情况下操作PWM部分。这就允许使用较小的PWM磁性元件及输出滤波器部件，同时在PFC段中将开关损耗减到最小。

除了功率因素校正外，在ML4803中还装进了几种保护功能。它们是：软起动，丰富的PFC超电压保护，峰值电流限制，占空比限制(工作周期限制)，以及低电压锁定(UVLO)。关于它们的具体使用，请见应用图2。

3.2 ML4803引脚功能(表1为引脚功能所示)具体分折如下

*VEAO(PFC单脚误差放大器输入)

这接脚提供反馈通路，使PFC的输出在设定的数值上。它连接到PFC输出电压上的程控电阻器上，并由反馈补偿网络分流。

*IsENSE(感应电流)

这接脚连接到电阻器或感应PFC输入电流的电流互感器上。这信号相对于IC接地来说，应该是负的。它内接电流限制比较器和电流感应反馈信号。ILIMIT跳闸电平是-1V。ISENSE的反馈在内部被增益4，并与内部的锯齿波比较，以设定PFC占空比。升压感应器向下的电流与内程控斜波的交叉，决定升压的停歇时间。

*VDc

这接脚一般连接到输出电压反馈的光耦集电极上(见应用图2的U3)。它通过26kΩ的电阻器连到内部的5V参考电源上，并通过40kΩ电阻器连到GND上。

*ILIMIT

这接脚连接在初级的PWM电流感应电阻器或电流互感器上(见应用图2的T1)。它为PWM级(它发生在1.5V时)提供一脉冲的电流限制，并为PWM级的电流模式控制提供峰值电流模式反馈通路。电流斜波在内部偏移1.2V，然后和光耦反馈电压比较，以设定PWM的占空比。

* PFC OUT和PWM OUT

PFC OUT和PWM OUT是高电流功率驱动器，能提供±1A峰值电流直接推动功率MOSFET的栅极(见应用图2的Q2与Q3)。这两种输出在Vcc低于低压锁定阈值电平时，都有被保持在低值。

* VCC

Vcc是IC的电力输入接头。Vcc的起动电流是150μA。无负荷Icc电流是2mA。Vcc静态电流包括IC偏磁电流与PFC和PWM的输出电流。如果有了工作频率和MOSFET栅电荷量(Qg)，就能计算出PFC和PWM的平均输出电流为lout=Qg×F。还必须包括任何栅极驱动变换器所要求的平均磁化电流。Vcc接脚还被认为和PFC的输出电压成比例。在内部，它被连接到Vcc OVP比较器(16.2V)上，为PFC级提供廉价的高速过电压保护(OVP)。Vcc还在内部被连接到UVLO电路上，在12V时使IC工作，在9.1V时使它不工作。Vcc必须外接高质量的陶瓷旁路电容器并尽量靠近IC的地方。良好的旁路对ML4803的-正常运行是至关紧要的。

Vcc一般是通过升压电感器L2或PFC扼流圈L3上的附加线圈产生的(见应用图2所示)，提供的电压和PFC输出电压成比例.由于Vcc OVP(图1所示)的最大电压是16.2V，有一个内分流器限制Vcc的超压在一个可接受的值上。也可以通过对地外接一个[2×IN4148(二极管正向)与 IN52468(稳压管反向)相串联]钳位电路，需要与否视实际情况而定。

Vcc在内部锁定最小为16.7V，最大为18.3V。这就限制了最大提供给IC的Vcc，同时允许Vcc高到足以使VccOVP跳闸。通过这齐纳的最大电流为10mA。如果Vcc电压超过齐纳钳位电平，则需要外部的系列电阻，以便限制通过这齐纳稳压管的电流。

*GND

GND是所有与这部分有关的电路的返回点。注意：高质量、低阻抗的接地，对IC的正常运行至关重要。必须使用高频率的接地技术。

3.3功率因素校正

3.31功率因素校正问题(电网污染)的提出

一般开关电源输入端都采用电容负载全波整流电路，交流输人电压经整流后，直接加到滤波电容器两端。在交流电源一个周期内，开关电源只有很短时间从交流电源吸取电流，输入脉冲电流的峰值很大，它含有非常高的谐波分量(三次谐波尤为突出,见图3所示io电流波)。由于只有输入电流的基波分量才能产生有功功率，因此开关电源的功率因数很低。此外谐波电流还会严重污染电网，干扰其他用电设备。为了提高功率因数并限制开关电源谐波电流对电网的污染，目前，开关电源中都加入有源功率因数和谐波校正电路。

3.32功率因数校正基本原理

功率因数(PF：Power Factor)一般定义为交流输入前有功功率P0与视在功率Pa之比：

PF=Po／Pa

当系统由工频电网供电时，根据推导和PF定义可知要实现PF=1，不但需要输入交流电流与输入电压同相位即，COSΦ=cos0º=1，而且还要求输入交流电流为正弦波.即谐波为零只有这样，才能实现PF=1。

为了提高功率因数，限制电流畸变和谐波，必须将开关变换器技术移植、必须进行功率因数校正(Power Factor Correction-PFC),以达到电流波形整形和改善功率因素之目的.

3.33 如何实施功率因素的校正

PFC电路的作用，就是在电网和负载之间扦入校正环节,使输入电流波形逼近输入电压波.通常情况下，就是使得输入电流成为与输入电压同相位的正弦电流。

PFC的方法很多，可根据高频／低频、有源／无源、谐振/非谐振来分类。目前AC／DC功率变换器中，值此采用高频有源PFC技术，其核心思想是引入开关变换器的电流控制方式，控制输入电流跟随输入电压波形，使输入电流成为与输入电压同相的正弦波形(见图3的Ui 与iavc波形同相所示). 在ML4803 PFC中的升压转换的布局技术是平均电流控制的升压式功率因数校正(Boost-PFC)电路,所以不需要斜率补偿,也就是使用了一种升压型的DC-DC转换器来完成这一PFC任务。转换器的输入是全波整流AC线电压。在桥式整流器之后，没有使用滤波，所以升压转换器的输入电压，两倍于线频率，范围从零伏到AC输入的峰值，再返回零。通过迫使升压转换器满足同时两个条件，就有可能确保转换器从电网(动力线)取得的交流电流，能匹配瞬时输入电压(线电压)。这些条件中的一个是，升压转换器的输出电压必须设得高于线电压的峰值。常用的值是385 VDC，允许对高线为270VACRms(均方根)。另一个条件是，转换器被允许在任一给定瞬间从线路中取得的电流，必须与线路电压成比例。

由于校正电路是平均电流控制的升压式功率因数校正(Boost-PFC)电路,也即是高频有源功率因数校正电路,所以其的优点是：

*高PF，可达0.99以上；

*宽输入范围；

*输出电压稳定；

*磁元件小。，

4、新的前沿调制技术

传统的脉冲宽度调制(PWM)技术使用的是后沿调制，在此调制中，一到系统时钟的后沿之后，开关立刻就接通(ON)。然后误差放大器输出电压就和调制中的锯齿波比较。当调制的锯齿波到达误差放大器输出电压的电平时，开关就关闭(OFF)。 当开关是ON时，电感器的电流迅速上升。当开关处于ON时，可确定后沿调制的有效工作循环。图(b)为典型的后沿控制波形图.而图4(a)为前沿／后沿均通用控制线路图.

而ML4803是采用新的前沿调制技术,即在前沿调制的情况下，系统时钟刚到前沿，开关就关闭(OFF)。当调制中的斜波到达误差放大器输出电压的电平时，开关就接通(ON)。在开关处于OFF时，可确定前沿调制的有效工作循环。图4(C)前沿控制波形图图。这种新的前沿调制控制技术的优点之一，就是它只需要一个系统时钟。 开关1(SWl)关闭和开关2(SW2)接通，是在同一个瞬间，这就可以把瞬时“无负荷”的时间缩到最短，从而降低了开关动作所产生的脉动电压。由于有了这样的同步开关，降低了第一级的纹波电压。计算和评估显示，用这种办法，将PFC的输出纹波电压的120Hz分量能减少多达30％，从而大大地减少了高电压PFC电容器中的消耗浪费。

5、典型的应用

* 一个-接脚的误差AMP

ML4803在PFC部分(VEAO)中，使用一个接脚的电压误差放大器。这个误差放大器实际上是一个电流吸收器，它迫使35µA通过输出程控电阻器。在VEAO 接脚上的额定电压是5V。VEAO 的电压范围是4到6V。对11.3MΩ电阻器排到升压输出电压和VEAO处的5V稳态来说，升压输出电压将是400V。在公式1中,计算了所需要的程控电阻器的值



* 内部电压斜波

根据ML4803的PFC控制可知,内锯齿波电流源Vc1是由VEAO接脚电压进行程序控制的。此电流源是用来通过使内部的30pF+12／-10％电容器充电而产生内斜波,其内斜波形Vc1见图5所示。内部程控锯齿波的频率在内部设置到67kHz。

* PFC电流感应滤波

在DCM(不连续电流模式)里，ML4803所用的输入电流波成形技术能使得输入电流失控。为了使这种技术在不连续模式条件下能运行良好，程控斜波必须在零安培时迂到下降的升压电感器电流。假设在轻负荷下，程控斜波是零,则一旦电感器电流到达零，OFF-time就会结束。随后，PFC的栅极驱动器被起动，从而消灭了DCM模式所需要的停滞时间。这就迫使输出跑开，直到Vcc OVP把PFC关掉(见图1上方)。这种情况的纠正，可通过增加偏置电压到电流感觉信号ISENSE，它可迫使工作循环在轻负荷情况下到达零。这种偏置能防止PFC在DMC中运行并迫使脉冲从CCM(连续电流模式)跳到不工作，避免DMC运作外部对电流敏感信号的滤波帮助把敏感信号ISENSE平滑掉，把运行范围略微扩展进DCM的范围内，但这必须仔细考虑，因为这样滤波也减少输送脉冲到脉冲电流限制信号的信号带宽。 其图6表示在轻微负载时加偏置到ISENSE的典型电路(从图2中摘录出)。

6、PFC启动和软启动

在稳定状态运行，VEAO流过35uA。在启动时，吸收此电流的内部电流镜像要到Vcc达到12V才消失。这个促使PFC误差电压在达到Vcc时才能使IC启动。由于对VEAO引脚前沿调制Vcc迫使PFC输出零周期。在开动过程中当选择外部补偿元件和Vcc供电电路时VEAO必须先于Vcc达到12V而达到6V。这就会保证PFC级进入软起动。一旦Vcc到达12V，这35uA的VEAO电流吸收器就被启动。然后，VEAO的补偿部件通过35uA的电流吸收器被放电，直到到达稳态运行点为止。

* 在VCCOVP之后的PFC软恢复

ML4803假设Vcc是由一个与PFC输出电压成比例的电源产生的。一旦那电源到达16.2V，与VEAO接脚相连的内电流吸收器就失灵了，正像在软起动接通顺序的情况那样。  一旦失灵，VEAO接脚就通过外部的部件充电至High直到PFC工作循环到达零，使PFC失灵为止。一旦Vcc放电低于16.2V，Vcc OVP就复位，使VEAO电流吸收器起动并将VEAO补偿部件放电，直到稳态运行点为止。应该注意，一旦VEAO接脚超过6.5V，内斜波就失效了。因此，可以外接一个稳压管，以降低在关闭情况下VEAO接脚可能升到的最大电压。从外面夹紧VEAO接脚到7.4V，就可以减少VEAO接脚恢复到它的稳态值所需的时间。

* 欠电压锁定

一旦Vcc达到12V, PFC和PWM都被启动。欠电压锁定的临界值是9.1V，提供2.9V的滞后。

* 产生VCC

内箝位限制Vcc的过电压。这一箝位电路确保ML4803的Vcc OVP电路在过温及元偏差的情况下保护部件不受电压迁移的影响。这一电路允许ML4803在PWM OUT输出端和PFC OUT输出端输出15V的栅极驱动电压，足以驱动廉价的IGBT。

很重要的是要限制通过稳压管电流，以避免过热或被破坏。要做到这一点，可以用一个电阻器和Vcc接脚串联起来，然后接到一般为14V到18V的偏压电源。必须选好电阻器的值，以便能满足ML4803本身运行电流的要求(最大为4.0mA)加上两个门驱动器输出所要求的电流。

* Vcc的过电压保护

Vcc采取和PFC输出电压成比例的电压有代表性的是从升压电感器上并绕几匝感应出电压。当电压何时超过16V和OVP Vcc比较器进行比较，中止PFC输出驱动，同时使VEAO电流吸收器失效。一旦VEAO电流吸收器失效，VEAO电压除了Vcc的一个二极管箝位之外，并不减少充电，从而降低了PFC的脉冲宽度。一旦Vcc的阀值减少到低于16.2V, VEAO吸收器就被起动，使得VEAO外补偿部件放电，直至达到稳态电压为止。假如Vcc上的15V相应于PFC输出上的400V，那么Vcc上的16V就相应于426V的OVP电平。

7、ML4803芯片应用

ML4803芯片在交流220v 240W输入 12VDC输出的AC-DC通用变换器中的应用实例,见图2示..它是由整流电路、升压电路 输出整流滤波电路、电压取样反馈控制以及以ML4803芯片为核心的功率因素校正器(PFC)与脉冲宽度调制(PWM)合为一体的控制器电路等组成.

8、结束语

8.1由功率因素校正器(PFC)与脉冲宽度调制(PWM)合为一体的控制器ML4803芯片应用于AC-DC变换器其功耗低效率高,功率因数高可为0.98,其效率高可达95%以上,与模块式的功率因数和谐波校正控制器模块相比功耗要小得.

8.2像ML4824这种典型的PFC控制器里所需的Vrms(电压均方根)和Irms(电流均方根)接脚有关的部件，已经没有了。PFC的功率限制和带宽确实随着线路电压而变化。220VAC线路变到110VAC线路，就可以得到两倍的功率。因为这是PFC／PWM的结合，负荷的功率是由PWM级来限制的。