深入解析HVLED007：飛返轉(zhuǎn)換器的高效PFC控制器

在現(xiàn)代電子設(shè)備中，功率因數(shù)校正（PFC）技術(shù)對(duì)于提高電源效率、減少諧波失真至關(guān)重要。今天，我們來深入了解一款專為反激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的過渡模式PFC控制器——HVLED007。它在高功率因數(shù)、低諧波失真等方面表現(xiàn)出色，廣泛應(yīng)用于各種照明和開關(guān)電源（SMPS）領(lǐng)域。

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1. 關(guān)鍵特性

1.1 控制模式與電流整形

• 過渡模式控制：HVLED007采用過渡模式（準(zhǔn)諧振）控制反激式PFC預(yù)調(diào)節(jié)器，在傳統(tǒng)的反激式PFC轉(zhuǎn)換器中，過渡模式控制能有效降低開關(guān)損耗。這種控制模式能讓開關(guān)在電壓較低的谷值時(shí)刻導(dǎo)通，減少了開關(guān)瞬間的能量損失。傳統(tǒng)的過渡模式控制在Hi - PF QR反激式轉(zhuǎn)換器中會(huì)導(dǎo)致輸入電流產(chǎn)生固有失真，而HVLED007通過專有的輸入電流整形器（ICS）解決了這個(gè)問題。該電路能夠使高功率因數(shù)（High - PF）準(zhǔn)諧振反激式轉(zhuǎn)換器從電源線上汲取理論上的正弦輸入電流，顯著降低了總諧波失真（THD）。
• 專利輸入電流整形：傳統(tǒng)控制方法下，輸入電流的峰值包絡(luò)雖然是正弦的，但由于初級(jí)電流被斬波，導(dǎo)致輸入電流存在失真。HVLED007的ICS電路通過對(duì)電流參考值進(jìn)行調(diào)整，抵消了這種失真，使得輸入電流更加接近正弦波。在全負(fù)載情況下，輸入電流的總失真（THD）可輕松低于10%，在30%負(fù)載時(shí)低于20%，在整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)都能保持良好的性能。

1.2 反饋與保護(hù)功能

• 隔離反饋控制：芯片設(shè)有控制輸入，可由光耦合器的光電晶體管驅(qū)動(dòng)，用于閉合次級(jí)調(diào)節(jié)隔離控制回路。這種隔離反饋設(shè)計(jì)可以有效避免主電路和控制電路之間的電氣干擾，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。通過簡單的外部電路，還能實(shí)現(xiàn)初級(jí)調(diào)節(jié)電壓回路，增加了應(yīng)用的靈活性。
• 多重保護(hù)機(jī)制：具備輸出過壓保護(hù)、過載和短路保護(hù)等功能，確保了在各種異常情況下，轉(zhuǎn)換器和負(fù)載設(shè)備的安全。當(dāng)輸出電壓超過設(shè)定的安全范圍時(shí)，過壓保護(hù)機(jī)制會(huì)迅速啟動(dòng)，切斷輸出或降低功率輸出；在發(fā)生過載或短路故障時(shí)，過載和短路保護(hù)功能會(huì)限制電流，防止芯片和其他元件因過流而損壞。

1.3 電氣性能

• 低電流損耗：啟動(dòng)電流低（≤60μA），靜態(tài)電流低（≤4mA），有助于降低系統(tǒng)的整體功耗。在待機(jī)或輕載狀態(tài)下，低電流消耗可以大大減少能源浪費(fèi)，提高系統(tǒng)的能效比。
• 數(shù)字前沿消隱：在電流檢測方面采用了數(shù)字前沿消隱技術(shù)，能夠有效避免開關(guān)瞬間的干擾信號(hào)對(duì)電流檢測的影響，提高了電流檢測的準(zhǔn)確性。
• 圖騰柱柵極驅(qū)動(dòng)：600/+800mA圖騰柱柵極驅(qū)動(dòng)器，帶有欠壓鎖定（UVLO）下拉和電壓鉗位功能。這種強(qiáng)大的柵極驅(qū)動(dòng)能力可以快速、準(zhǔn)確地驅(qū)動(dòng)大功率MOSFET，確保開關(guān)動(dòng)作的快速響應(yīng)和穩(wěn)定性。

1.4 封裝形式

采用SO8封裝，這種封裝形式具有良好的散熱性能和較小的尺寸，適合高密度的電路板設(shè)計(jì)。緊湊的封裝可以節(jié)省電路板空間，提高產(chǎn)品的集成度。

2. 應(yīng)用領(lǐng)域

2.1 照明應(yīng)用

• 室內(nèi)照明：適用于家用、商用和工業(yè)照明的AC - DC LED驅(qū)動(dòng)器。在室內(nèi)照明系統(tǒng)中，HVLED007能夠提供高功率因數(shù)和低諧波失真的電源，確保LED燈的穩(wěn)定發(fā)光，同時(shí)符合相關(guān)的能效標(biāo)準(zhǔn)。
• 室外照明：在路燈照明中，它能夠適應(yīng)不同的環(huán)境條件和負(fù)載變化，保證路燈的高效運(yùn)行。路燈通常需要長時(shí)間連續(xù)工作，HVLED007的低功耗和高可靠性特點(diǎn)使其成為理想的選擇。

2.2 開關(guān)電源

符合EN61000 - 3 - 2標(biāo)準(zhǔn)的開關(guān)電源，可應(yīng)用于各種電子設(shè)備中。在電子設(shè)備的電源設(shè)計(jì)中，滿足EN61000 - 3 - 2標(biāo)準(zhǔn)意味著電源產(chǎn)生的諧波電流符合歐洲電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)，減少了對(duì)電網(wǎng)的干擾，提高了設(shè)備的電磁兼容性。

3. 工作原理

3.1 輸入電流整形功能

在Hi - PF QR反激式轉(zhuǎn)換器中，輸入電流是初級(jí)電流的平均值，在傳統(tǒng)控制方法下，由于初級(jí)電流的斬波特性，輸入電流會(huì)產(chǎn)生失真。HVLED007的ICS電路通過對(duì)電流參考值 (V{cs{ref}}(theta)) 進(jìn)行調(diào)制，使其與輸入電壓和開關(guān)周期相關(guān)。具體來說，ICS電路由電流發(fā)生器 (MULT(theta))、外部電容 (C{t}) 和開關(guān)電阻 (R{t}) 組成。電流發(fā)生器根據(jù)輸入電壓提供充電電流給 (C{t})，通過電荷平衡原理計(jì)算出電容 (C{t}) 上的平均電壓 (V_{Ct}(theta))，該電壓作為電流參考值，經(jīng)過低通濾波器后輸入到PWM比較器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)初級(jí)電流的整形。

3.2 開關(guān)控制機(jī)制

外部功率開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷機(jī)制與傳統(tǒng)過渡模式方法基本相同。功率開關(guān)在次級(jí)電流為零時(shí)（有一定延遲以實(shí)現(xiàn)谷值開關(guān)）導(dǎo)通，當(dāng)電流檢測輸入CS上的電壓 (V{cs}(t, theta)) 達(dá)到參考值 (V{cs{ref}}(theta)) 時(shí)關(guān)斷。與傳統(tǒng)方法不同的是，HVLED007的參考值 (V{cs_{ref}}(theta)) 是通過ICS電路處理后產(chǎn)生的，因此能夠更好地實(shí)現(xiàn)正弦輸入電流。

4. 引腳功能與參數(shù)

4.1 引腳功能

4.2 電氣參數(shù)

• 電源電壓：工作范圍為10.5 - 22.5V，開啟閾值為11.7 - 13.3V，關(guān)閉閾值為9.5 - 10.5V，具有2.2 - 2.8V的滯回特性。這些參數(shù)確保了芯片在不同電源條件下的穩(wěn)定工作。
• 啟動(dòng)和靜態(tài)電流：啟動(dòng)電流最大為60μA，靜態(tài)電流最大為3.9mA，在不同工作模式下電流消耗都較低。
• 其他關(guān)鍵參數(shù)：如輸入電流整形器的工作范圍、PWM控制輸入的飽和電壓、乘法器的增益等，這些參數(shù)對(duì)于設(shè)計(jì)和優(yōu)化電路性能至關(guān)重要。例如，輸入電流整形器的工作范圍決定了其能夠有效整形電流的電壓區(qū)間；PWM控制輸入的飽和電壓影響著輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍。

5. 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

5.1 電容選擇

• 整形電容 (C_{t}) 選擇：整形電容 (C{t}) 的選擇需要滿足 (T(theta) ll R{t} C{t} ll 1 /(2 f{line})) 的條件。這個(gè)條件確保了電容上的電壓在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)基本為直流電平，并且能夠快速跟蹤理想?yún)⒖贾怠Ｔ趯?shí)際設(shè)計(jì)中，需要考慮電容上的紋波電壓和輸入電流的總諧波失真（THD）。紋波電壓過大會(huì)導(dǎo)致電流參考值失真和編程峰值電流降低，一般建議紋波電壓的峰 - 峰值不超過 (V_{Ct}(theta)) 最大振幅的10%。
• 輸出電容 (C_{out}) 選擇：可根據(jù)輸出電壓紋波或交流電流額定值來選擇，取兩者中電容值較大的作為選擇依據(jù)。輸出電容的大小會(huì)影響輸出電壓的穩(wěn)定性和紋波大小，合適的輸出電容可以有效減少輸出電壓的波動(dòng)。

5.2 電阻選擇

• 感測電阻 (R_{s}) 選擇：需要考慮整形電容 (C{t}) 上的紋波電壓對(duì)其的影響。紋波電壓會(huì)使功率開關(guān)的關(guān)斷時(shí)刻發(fā)生變化，從而影響編程峰值電流。在設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的公式來計(jì)算 (R{s}) 的值，以平衡電流檢測的準(zhǔn)確性和輸入電流的失真問題。如果允許一定的失真，可以使用 (R{s} leq frac{V{cs{max min}}}{I{ppk{-} max}})；如果要避免額外的失真，則使用 (R{s} leq frac{V{cs{max min}}}{I{ppk{-} max}}(1 - frac{2}{R{t} C{t}} frac{L{p} P{in max}}{K{v{-} min} V_{R}^{2}}))。
• 電阻分壓器 (K_{p}) 選擇：乘法器輸入的電阻分壓器電壓增益 (K{p}) 需要選擇合適的值，以確保在最小輸入電壓下，ICS電路生成的編程信號(hào) (V{cs{ref}}(theta)) 能夠達(dá)到鉗位值 (V{cs{max}}) 范圍內(nèi)，同時(shí) (V{COMP}) 電壓低于過載檢測閾值 (V_{COMPOL})。一般建議 (K{p}) 盡可能接近計(jì)算值，以充分利用 (COMP) 引腳的調(diào)節(jié)范圍。

5.3 變壓器設(shè)計(jì)

變壓器的設(shè)計(jì)需要根據(jù)選定的參數(shù)進(jìn)行，包括初級(jí)電感、匝數(shù)比、飽和電流等。例如，初級(jí)電感可以根據(jù)開關(guān)頻率和輸入功率等參數(shù)計(jì)算得出；匝數(shù)比則根據(jù)反射電壓和輸出電壓等確定。在設(shè)計(jì)變壓器時(shí)，還需要確保其飽和電流滿足 (I{sat} geq frac{V{cs{max max}}}{R{s}}) 的條件，以防止變壓器飽和導(dǎo)致的性能下降。

5.4 保護(hù)電路設(shè)計(jì)

• 過載和短路保護(hù)：通過檢測引腳COMP和CT上的電壓來判斷是否發(fā)生過載和短路情況。當(dāng)COMP引腳電壓超過調(diào)節(jié)范圍上限 (V_{COMPOL}) 或CT引腳電壓超過內(nèi)部閾值 (V{CT_{-} OL}) 時(shí)，觸發(fā)保護(hù)機(jī)制。保護(hù)電路會(huì)使轉(zhuǎn)換器間歇性工作，降低其功率輸出，避免元件損壞。
• 過壓保護(hù)：通過引腳ZCD檢測輸出電壓是否過壓。當(dāng)ZCD引腳電壓超過 (V_{ZCD_OVP}) 時(shí)，經(jīng)過兩次連續(xù)開關(guān)周期的確認(rèn)后，觸發(fā)過壓保護(hù)。保護(hù)電路會(huì)將COMP引腳電壓拉低至突發(fā)模式閾值以下，暫時(shí)停止轉(zhuǎn)換器的工作。

6. 設(shè)計(jì)步驟總結(jié)

6.1 確定基本參數(shù)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，確定線路電壓范圍、頻率范圍、輸出電壓、輸出電流范圍等基本參數(shù)，并計(jì)算相應(yīng)的峰值電壓和 (K_{v}) 值，以及估計(jì)的最大輸入功率。

6.2 計(jì)算工作條件

使用計(jì)算得到的 (K_{v}) 值和最大輸入功率，計(jì)算在最小輸入電壓和最大輸入功率下的工作條件，包括開關(guān)周期、占空比、電流等。

6.3 設(shè)計(jì)變壓器

• 計(jì)算變壓器的初級(jí) - 次級(jí)匝數(shù)比，根據(jù)所需的反射電壓和輸出電壓確定。
• 計(jì)算所需的初級(jí)電感，根據(jù)開關(guān)頻率和輸入功率等參數(shù)計(jì)算。
• 設(shè)計(jì)變壓器的具體參數(shù)，包括磁芯選擇、繞組匝數(shù)等。

6.4 選擇元件

• 選擇整形電容 (C{t}) 和感測電阻 (R{s})，根據(jù)前面提到的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)進(jìn)行選擇。
• 選擇初級(jí)MOSFET和次級(jí)整流器，根據(jù)其電流和電壓應(yīng)力進(jìn)行選擇。
• 選擇輸出電容 (C_{out})，根據(jù)輸出電壓紋波或交流電流額定值選擇。

6.5 設(shè)計(jì)電路

• 設(shè)計(jì)連接到ZCD引腳的電阻分壓器，確定 (R{zcd}) 和 (R{ovp}) 的值。
• 確定乘法器偏置增益 (K_{p})，并檢查其在最大輸入電壓下的幅值是否符合要求。
• 設(shè)計(jì)鉗位電路，限制漏感尖峰。
• 設(shè)計(jì)反饋電路及其頻率補(bǔ)償，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能。

HVLED007作為一款高性能的過渡模式PFC控制器，為反激式轉(zhuǎn)換器提供了優(yōu)秀的解決方案。通過深入了解其特性、工作原理和設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，電子工程師可以設(shè)計(jì)出高效、穩(wěn)定、可靠的電源系統(tǒng)。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，還需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求和電路條件進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，以達(dá)到最佳的性能指標(biāo)。你在使用HVLED007進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。