基于单周期控制的IRll50型PFC控制IC及其应用

1 引言
    75 W以上家用电器及类似电气设备的电流谐波，都必须符合IECl00-3-2(及日本JICC61000-3-2、中国CCC等)强制性规范中的限量要求。为此，开关电源和电子镇流器等都必须采取PFC措施。对于基于控制IC的有源PFC升压变换器而言，主要有3种类型，即电感电流不连续导电模式(DCM)、临界导电模式(CRM)和连续导电模式(CCM)。其中，CCM控制IC及其组成的PFC变换器电路比较复杂，适用功率范围为200 W～4 500W。传统CCM PFC电路都采用16引脚至20引脚DIP或SO封装，在应用中、外围元件较多，系统成本较高。IR公司采用“单周期控制”专利技术发明的CCM下工作的PFC控制器IRll50的封装引脚减少到8个，使PFC预调节器印制电路板(PCB)面积缩小50％，外部阻容元件减少40％。IRll50的使能启动、微功率启动和睡眠模式等特征符合待机功率小于1 W的“蓝天使”和“能源之星”等节能标准。
    IRll50的主要特点如下：
    CCM升压型PFC，并以单周期控制专利技术为基础；
    无需外部AC线路电压检测电路；
    开关频率(50 kHz~200 kHz)可编程,最短关断时间为150 ns~350 ns，最大占空比限制在98％；
    输出过电压/欠电压保护、软启动、逐周峰值电流限制、开环保护、Vcc欠电压锁定、锁存抗扰及静电放电(ESD)保护；
    微功率启动(<200μA)及微功率“休眠”模式；
    快速1.5 A峰值栅极驱动电流,使其输出功率范围超过l kW(最高达4 kW)；
    栅极驱动器内部被箝位在13 V电平；
    采用8引脚SOIC封装。

2 引脚功能及推荐工作条件
    IRll50的引脚排列如图1所示。各个引脚功能如下所述：

    脚1(COM)：IC地。
    脚2(FREQ)：该引脚与COM之间连接一只电阻器，用作开关频率设置(50 kHz～200 kHz)。
    脚3(ISNS)：电流检测输入与峰值电流限制。该引脚上的电压是外部电流检测电阻器上的负电压降,表示峰值电感电流。该引脚上的电压经内部前沿消隐输入到门限为-1 V的峰值电流限制保护比较器,同时被回馈到内部电流检测放大器。电流检测放大器输出高频噪声被滤除，而后注入到求和节点。
    脚4(OVP/ENA)：过电压保护/使能输入。该引脚内部过电压保护(OVP)比较器门限电平为VREF(7V)的105.5％，可在外部利用电阻分压器来编程。该引脚又是IC“休眠”模式使能端。只要将该引脚上的电压拉低到O.62 V以下,“休眠”模式就被激活。
    脚5(COMP)：电压环路补偿。该引脚是内部电压误差放大器输出，当发生故障时，该引脚将经过内部电阻器放电。
    脚6(VFB)：输出电压反馈。PFC升压变换器DC输出电压利用电阻分压器采样,经该引脚输入到内部电压误差放大器反相端。电压误差放大器为运算跨导放大器(0TA)。
    脚7(VCC)：供电电压。该引脚导通阈值VCC(on)典型值为12.7 V,关断门限VCC(UVLO)为10.7V。
    脚8(CATE)：栅极驱动器输出，提供±1.5A的峰值驱动电流。
    IRll50的推荐工作条件如下：
    电源电压VCC:15 V~20 V(典型值为18 V)；
    开关频率fSW:50 kHz~200 kHz；
    频率设置电阻RSET:165 kΩ～37 kΩ；
    结温TJ:-25℃～+125℃；
    工作温度TA:O℃～70℃。

3 工作原理与工作状态转接
    图2所示为IRll50的内部结构框图。

    与传统CCM-PFC控制器比较,IRll50不含输入电压检测、模拟乘法器及定频三角波振荡器。IRll50采用单周期控制技术从根本上替代了常规CCM-PFC解决方案。IRll50引入一种带有复位电路的专用整合器控制单元，使电压误差放大器输出叠加在每个时钟周期上，产生可变的三角波。这种三角波与误差电压波形比较,并从电流检测信号中扣除,产生PWM栅极驱动信号。
    IRll50工作利用两个环路:一个是电流环路，另一个是电压环路。内部电流环路是快速和可靠的，电流参考的产生不需要输入电压检测。电流环路利用嵌入的输入电压信号迫使平均输入电流随输入电压瞬时变化。外部电压环路控制PFC升压变换器的DC输出电压。电压误差放大器产生的输出电压直接控制积分器斜坡信号的斜率和平均输入电流的幅度。二个控制环路结合的结果，使AC输入平均电流(即经输入高频旁路电容器和EMI滤波器后的低频电流)与AC输入电压成正比，并且呈正弦波形，与输入电压保持同相位，从而产生几乎等于1的功率因数。当变换器在轻载下工作时，在AC线路电压过零附近的电流波形将出现一定的失真，但所产生的谐波电流仍可在IECl000-3-2标准的D类限值之内。
    IRll50的工作状态包括欠电压锁定(UVL0)模式、待机模式、软启动模式、正常操作模式、故障保护模式和睡眠模式等，具体运动转接图如图3所示。

4 典型应用电路
    图4所示为基于IRll50型控制器的300W有源PFC升压变换器电路。这种PFC预调节器适用于国际通用的AC线路输入，DC输出为377 V，用作开关电源或电子镇流器的前端电路。输入端的Cl、R1、Ll、C2组成EMI滤波器。由于PFC电路工作于CCM,可以降低峰值电感电流(IL)，可降低了对EMI滤波器的要求。电容器C3用于高频电感电流旁路，从而得到低频(50 Hz或60Hz)平均电流(即AC输入电流)。L2为升压电感器，MOSFET(V1)为PFC开关，VD2为升压二极管，C5为输出电容器。IRll50引脚2上的外部电阻器R4(60.4 kΩ)用作设置开关频率(100 kHz)。Rs(0.1Ω)为电流检测电阻器。IR1150引脚3上的外部电阻器R3和C7组成预滤波电路。IRll50引脚5上的外部电阻器R5和电容器C8、C9提供电压环路补偿。

    由R9、R10和R1l组成的电阻分压器用作输出电压反馈采样。在正常工作状态下，馈入VFB引脚的电压VFB为7 V(等于VFB引脚内部电压误差放大器同相端上的参考电压VREF)。由R12、R13、R14组成的电阻分压器用作输出过电压保护取样。IRll50引脚4上的过电压保护门限电平为7.385 V (即105.5％VREF)。只要PFC升压变换器输出电压超过412 V，反馈到IRll50引脚4上的电压就会超过7.385 V的阈值电平，器件则进入过电压保护模式。
    IRll50的VCC电压(15 V～20 V)可以从电感器L2的附加绕组和二极管组成的辅助电源获得(图4中未画出)。图4所示的PFC升压变换器电路的线路功率因数达O.995以上,总谐波失真THD仅约4％,符合IECl000-3-2标准要求。

5 结束语
    IR1150 CCM-PFC控制器采用单周期控制专有技术，在75 W~4 kW的高功率密度应用中，可将PCB面积缩减50％。IRll50能以DCM或CRM的简单电路实现CCM电路的高性能，从而为计算机、家用电器和其他消费类电子产品提供简便、灵活、低成本和高功率密度的解决方案。