深入解析 FAN9611 交錯式雙 BCM PFC 控制器

在電子工程領(lǐng)域，功率因數(shù)校正（PFC）技術(shù)對于提高電源效率和減少諧波失真至關(guān)重要。FAN9611 作為一款交錯式雙臨界導通模式（BCM）PFC 控制器，為電源設(shè)計帶來了諸多優(yōu)勢。今天，我們就來深入探討一下這款控制器的特點、工作原理以及應(yīng)用。

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一、FAN9611 概述

FAN9611 可控制兩個并聯(lián)的、180°異相的升壓傳動系統(tǒng)，將控制技術(shù)的最大實際功率電平從大約 300W 擴展至 800W 以上。與連續(xù)導通模式（CCM）技術(shù)不同，BCM 為升壓二極管提供了固有的零電流開關(guān)，能使用較低廉的二極管且不降低效率，同時輸入和輸出濾波器體積更小，因為紋波電流消除和開關(guān)頻率有效增倍。

二、特性亮點

1. Sync - Lock 交錯式技術(shù)：可在任何工作條件下實現(xiàn) 180°異相同步，確保兩個并聯(lián)轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定工作，顯著減少電源輸入端與輸出端的紋波電流。
2. 輕負載時的相位自動禁用：當輸出功率降至最大功率限值的 13%左右以下時，自動禁用兩個交錯式升壓轉(zhuǎn)換器之一，提高輕載效率；輸出功率超過 18%左右時，恢復正常交錯式工作狀態(tài)。
3. 死區(qū)相位檢測保護：重啟定時器確保在一個相位不工作時，另一個相位鎖定到重啟定時器操作，防止其嘗試對負載提供全功率，保障系統(tǒng)安全。
4. 高電流柵極驅(qū)動器：灌電流為 2.0A、源電流為 1.0A，能有效驅(qū)動功率 MOSFET。
5. 高功率因數(shù)、低總諧波失真：采用帶 ((V_{IN})^{2}) 前饋功能的電壓模式控制，使輸入電流能精確跟隨輸入電壓波形，實現(xiàn)高功率因數(shù)和低諧波失真。
6. 閉環(huán)軟啟動：設(shè)有用戶可編程軟啟動時間，可減少過沖，誤差放大器的參考電壓緩慢上升至最終值，確保輸出電壓跟隨參考電壓，消除輸出電壓過沖。
7. 最低重啟頻率：可避免音頻噪聲，重啟定時器設(shè)為 16.5kHz 左右，高于聲頻范圍。
8. 最大開關(guān)頻率箝位：設(shè)為約 525kHz，在輕載條件下限制開關(guān)頻率可提高效率，但會對功率因數(shù)產(chǎn)生一定負面影響。
9. 多種保護功能：提供 10V/7.5V 偏置 UVLO、輸入欠壓、過流、開路反饋、輸出過壓以及冗余門鎖過壓保護等，保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

三、工作原理

臨界導通模式

升壓轉(zhuǎn)換器可在 CCM 和 BCM 下工作，F(xiàn)AN9611 采用 BCM 控制算法。在 BCM 模式下，電感電流在每個開關(guān)周期從零開始，峰值電感電流與輸入電壓成正比，輸入電流能高精度跟隨輸入電壓波形，是功率因數(shù)校正的理想方案。但 BCM 升壓轉(zhuǎn)換器存在開關(guān)頻率變化和高紋波電流的問題，限制了實際輸出功率。

交錯式

FAN9611 控制兩個并聯(lián)的升壓轉(zhuǎn)換器，以 180 度異相方式工作，可維持電流和熱應(yīng)力在控制范圍內(nèi)，增加功率處理能力，減少紋波電流，降低輸入 EMI 濾波器要求和電源輸出電容的高頻 RMS 電流。

電壓調(diào)節(jié)與控制

電源輸出電壓由負反饋環(huán)路和脈寬調(diào)制器調(diào)節(jié)。誤差放大器將反饋信號與參考電壓比較，采用高 DC 增益補償以精確調(diào)節(jié)電壓，但帶寬極低以抑制線路頻率紋波。脈寬調(diào)制器進行電壓模式控制，將斜坡信號與誤差放大器輸出比較，確定功率晶體管導通時間。

輸入電壓前饋

為克服 PFC 應(yīng)用中電壓模式 PWM 電路的缺陷，采用輸入電壓前饋，使 PWM 斜坡與輸入電壓的平方成正比，可抑制輸入電壓變化對輸出電壓的影響，簡化補償電壓調(diào)節(jié)環(huán)路，且誤差放大器輸出與轉(zhuǎn)換器輸入功率成正比。

開啟與終止 PWM 周期

BCM 控制器使用零電流檢測器感測電感電流，在電感電流為零時接通功率開關(guān)。啟動條件下或零電流檢測丟失時，重啟定時器啟動控制器。終止導通間隔時，當斜坡波形超過誤差放大器控制電壓，PWM 比較器關(guān)斷功率晶體管，限流電路和定時器電路也可終止柵極驅(qū)動脈沖。

功率限制

當 PWM 斜坡斜率與輸入 RMS 電壓的平方成正比時，升壓功率開關(guān)的最大導通時間與 (V_{IN.RM}) 的平方成反比，通過控制柵極驅(qū)動信號的最大脈沖寬度可實現(xiàn)輸入電壓獨立功率限制。

輕載工作

輕載時，轉(zhuǎn)換器工作頻率升高，開關(guān)損耗為主。FAN9611 通過自動禁用一個升壓轉(zhuǎn)換器，提高輕載效率。

帶軟恢復功能的欠壓保護

監(jiān)控輸入電壓，電壓低于閾值時轉(zhuǎn)換器停止工作，輸出電壓下降。通過反饋網(wǎng)絡(luò)拉低軟啟動電容，實現(xiàn)軟恢復，輸入電壓上升后轉(zhuǎn)換器恢復正常工作。

軟啟動轉(zhuǎn)換器

FAN9611 采用閉環(huán)軟啟動方案，誤差放大器參考電壓緩慢上升，確保輸出電壓跟隨參考電壓，消除輸出電壓過沖。

四、功能說明

檢測零電感電流（ZCD1、ZCD2）

每個 ZCD 引腳內(nèi)部箝位至 0V 附近，電容不影響 ZCD 觸發(fā)，內(nèi)部感測電路為真實微分器，可捕獲漏極波形谷底。ZCD 引腳源電流與灌電流能力分別約為 1mA 和 10mA，Rzcp 電阻值可通過公式估算。

5V 偏置電軌（5VB）

為控制電路供電，建議電容值為 220nF，靠近引腳放置 100nF 優(yōu)質(zhì)高頻陶瓷電容。5V 電軌是開關(guān)電軌，欠壓鎖定時保持低電平，VDD 引腳電壓超過 UVLO 導通閾值時導通。

最大導通時間控制（MOT）

最大導通時間由連接到模擬地（AGND）的電阻設(shè)置，是 RMS 輸入電壓的函數(shù)，功率 MOSFET 的最大導通時間可通過公式估算。

模擬地（AGND）和電源地（PGND）

AGND 是控制邏輯的 GND，與 PGND 通過兩個反平行二極管內(nèi)部相連，建議采用 PCB 上較短且阻抗較小的走線連接。PGND 是高電流柵極驅(qū)動電路的參考電位，VDD 引腳與 PGND 引腳之間應(yīng)連接兩個旁路電容。

軟啟動（SS）

通過 SS 引腳與 AGND 引腳之間的電容設(shè)置，啟動時電容快速預充電，隨后由 5uA 電流源緩慢充電，使誤差放大器參考電壓斜升。SS 引腳被箝位至高于 FB 引腳上電壓 0.2V，欠壓條件下可對軟啟動電容放電。

誤差放大器補償（COMP）

COMP 引腳是誤差放大器的輸出端，電壓環(huán)路通過 Rs 和 Cs 組合補償，控制范圍為 0.195V 至 4.3V。相位管理電路監(jiān)控誤差放大器輸出，根據(jù) COMP 電壓切換單相或雙相操作。

輸出電壓反饋（FB）

反饋引腳接收分壓后的轉(zhuǎn)換器輸出電壓，調(diào)節(jié)狀態(tài)下應(yīng)為 3V。非閂鎖過壓檢測電路監(jiān)控 FB 引腳，防止過壓；開路反饋檢測電路監(jiān)控該引腳電壓，確保正常工作。

次級輸出電壓感測（OVP）

可通過 OVP 引腳實現(xiàn)次級門鎖過壓保護，閾值設(shè)為 3.5V。有三種設(shè)置方法，可根據(jù)需求選擇。

輸入電壓感測（VIN）

在 VIN 引腳處感測輸入 AC 電壓，用于輸入欠壓鎖定和輸入電壓前饋。內(nèi)部電路采用輸入 AC 波形的峰值檢測功能，AC 輸入峰值有效范圍約為 0.925V 至 3.7V。

柵極驅(qū)動輸出（DRV1、DRV2）

高電流驅(qū)動器輸出具有最小 2A 的灌電流能力以及 1A 的源電流能力，需采用外部柵極電阻限制源電流，可通過小型二極管旁路柵極電阻實現(xiàn)更快的功率 MOSFET 關(guān)斷特性。

偏置電源（VDD）

工作電壓范圍為 8V 至 18V，由欠壓鎖定（UVLO）電路監(jiān)控，上電時 VDD 電壓必須超過 10.0V 器件才能工作，降至 7.5V 以下時停止工作。

電流感測保護（CS1、CS2）

針對每個功率 MOSFET 采用獨立的過流保護，CS1 和 CS2 引腳上的電流感測閾值約為 0.2V，IC 中集成了前沿電流尖峰過濾 R - C 濾波器。

五、應(yīng)用信息

同步與時序功能

采用復雜的同步子系統(tǒng)，雙通道開關(guān)頻率檢測器測量每個通道的開關(guān)周期，使兩個通道保持 180 度異相工作，通過插入導通延遲控制相位關(guān)系，確保穩(wěn)定運行。

重啟定時器和死相位檢測保護

重啟定時器確保重啟時存在 180 度異相，避免一個相位不工作時另一個相位嘗試提供全功率，頻率設(shè)為 16.5kHz 左右，避免音頻噪聲。

頻率箝位

集成于同步中，確保工作頻率受限時具有 180 度異相工作，輕載條件下限制開關(guān)頻率可提高效率，但會影響功率因數(shù)，頻率箝位設(shè)為約 525kHz。

隨負載調(diào)節(jié)輸出電壓

可利用外部電路通過監(jiān)控 COMP 引腳上的電壓，調(diào)低 SS 引腳上的電壓，獲得所需的低輸出電壓，提升電源輕載效率。

利用輸入電壓調(diào)節(jié)輸出電壓

升壓跟隨器方案可根據(jù)輸入電壓調(diào)節(jié) PFC 升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，提高下游 DC - DC 轉(zhuǎn)換器的效率，改善總電源效率。

調(diào)節(jié)相位管理閾值

初始相位管理閾值固定為最大負載功率水平的 13%和 18%，可通過調(diào)節(jié)最大導通時間上調(diào)閾值，以滿足不同應(yīng)用需求。

禁用 FAN9611

有四種方式可禁用 FAN9611，分別是將 SS 引腳、FB 引腳、COMP 引腳拉至 GND 和將 VIN 引腳拉至 GND，不同方式的關(guān)斷和恢復過程有所不同。

布線與連接指南

對于高功率應(yīng)用，建議采用兩層或以上的 PCB，將開關(guān)噪聲干擾降至最低。要使高電流輸出和電源接地路徑與模擬輸入信號和信號接地路徑分離，引腳連線越短越直接越好，同時注意電源地和模擬地的連接、柵極驅(qū)動布線、電流感測布線和輸入電壓感測布線等方面。

六、快速設(shè)置指南

根據(jù)電源規(guī)格和預先計算的功率級元件參數(shù)，可按照步驟配置 FAN9611，包括輸入電壓范圍設(shè)置、估算轉(zhuǎn)換效率、計算每通道最大輸出功率、輸出電容、升壓電感、最大導通時間、峰值電感電流、最大 DC 輸出電流等，還需確定零電流檢測電阻、最大導通時間設(shè)置電阻、輸出電壓設(shè)置電阻、軟啟動電容、補償元件、過壓保護設(shè)置、輸入線路電壓感測電阻、柵極電阻和電流感測電阻等元件參數(shù)。

七、評估板與相關(guān)產(chǎn)品

FEB388 是用于評估交錯式雙通道臨界導通模式 PFC 轉(zhuǎn)換器的評估板，額定功率為 400W，借助相位管理，即使在低至 10%的額定輸出功率條件下，效率依然可保持在 96%以上，滿載條件下效率高于 96%。此外，還介紹了相關(guān)的 PFC 控制器件，如 FAN6961、FAN7527B 等。

總之，F(xiàn)AN9611 交錯式雙 BCM PFC 控制器憑借其豐富的特性和靈活的應(yīng)用，為電源設(shè)計提供了高效、可靠的解決方案。電子工程師在設(shè)計電源時，可根據(jù)具體需求充分發(fā)揮 FAN9611 的優(yōu)勢，優(yōu)化電源性能。大家在使用 FAN9611 過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。