深入解析FAN7930B：高性能臨界導(dǎo)通模式PFC控制器

在電源設(shè)計領(lǐng)域，功率因數(shù)校正（PFC）技術(shù)至關(guān)重要，它不僅能夠提高電源效率，還能減少對電網(wǎng)的諧波污染。今天，我們將深入探討安森美（onsemi）推出的一款優(yōu)秀的臨界導(dǎo)通模式（CRM）PFC控制器——FAN7930B。

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一、FAN7930B概述

FAN7930B是一款專為升壓PFC應(yīng)用設(shè)計的有源PFC控制器，工作在臨界導(dǎo)通模式。它采用電壓模式PWM控制，通過將內(nèi)部斜坡信號與誤差放大器輸出進(jìn)行比較來生成MOSFET關(guān)斷信號。與電流模式CRM PFC控制器相比，它無需整流后的交流線電壓信息，從而節(jié)省了輸入電壓感測網(wǎng)絡(luò)的功率損耗。

主要特性

1. 多種保護(hù)功能：具備過壓保護(hù)（OVP）、開路反饋保護(hù)、過流保護(hù)（OCP）、輸入電壓缺失檢測以及欠壓鎖定保護(hù)（UVLO）等功能，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
2. 低諧波失真：采用新的可變導(dǎo)通時間控制方法，總諧波失真（THD）低于傳統(tǒng)CRM升壓PFC IC。
3. 集成多種功能：集成了額外的OVP檢測引腳、VIN - 缺失檢測、最大開關(guān)頻率限制、內(nèi)部軟啟動和無過沖啟動、內(nèi)部THD優(yōu)化器等功能。
4. 低功耗：具有低啟動和工作電流，降低了系統(tǒng)功耗。
5. 強(qiáng)大的驅(qū)動能力：圖騰柱輸出，具有 +500/ - 800 mA的峰值柵極驅(qū)動電流。
6. 小型封裝：采用8引腳小外形封裝（SOP），節(jié)省電路板空間。

二、引腳配置與定義

三、電氣特性

電源部分

• 啟動閾值電壓（VSTART）：當(dāng)VCC上升時，啟動閾值電壓為11 - 13 V。
• 停止閾值電壓（VSTOP）：當(dāng)VCC下降時，停止閾值電壓為7.5 - 9.5 V。
• 欠壓鎖定遲滯（HY_UVLO）：為3.0 - 4.0 V。
• 齊納電壓（VZ）：當(dāng)ICC = 20 mA時，齊納電壓為20 - 24 V。
• 推薦工作范圍（VOP）：為13 - 20 V。

電流部分

• 啟動電源電流（ISTART）：當(dāng)VCC = VSTART - 0.2 V時，啟動電源電流為120 - 190 μA。
• 工作電源電流（IOP）：輸出不開關(guān)時，工作電源電流為1.5 - 3.0 mA。
• 動態(tài)工作電源電流（IDOP）：在50 kHz，C1 = 1 nF時，動態(tài)工作電源電流為2.5 - 4.0 mA。
• 禁用時的工作電流（IOPDIS）：當(dāng)VINV = 0 V時，禁用時的工作電流為90 - 230 μA。

其他部分

• 電壓反饋輸入閾值1（VREF1）：在TA = 25°C時，為2.465 - 2.535 V。
• 最大導(dǎo)通時間：有兩種編程方式，tON,MAX1和tON,MAX2，具體值根據(jù)不同條件而定。
• 電流感測輸入閾值電壓限制（Vcs）：為0.7 - 0.9 V。

四、功能優(yōu)勢對比

與FAN7530對比

與FAN7930C對比

在RDY引腳和OVP引腳方面，兩者都有集成，但用戶可根據(jù)需求選擇使用2號引腳。

五、應(yīng)用信息

啟動過程

PFC模塊的電源電壓（VCC）通常由額外的電源（備用電源）提供。如果沒有備用電源，可使用用于零電流檢測的輔助繞組作為電源。當(dāng)PFC模塊的電源電壓超過12 V時，內(nèi)部操作啟用，直到電壓降至8.5 V。如果VCC超過VZ，將從VCC吸收20 mA電流。

INV塊

INV引腳的輸入是輸出的縮放電壓，基于該引腳嵌入了多種功能，如跨導(dǎo)放大器、輸出OVP比較器和禁用比較器。為了控制輸出電壓，使用跨導(dǎo)放大器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電壓放大器，它有助于實現(xiàn)OVP和禁用功能。輸出電壓控制采用兩極一零型補(bǔ)償，以平衡對電源因數(shù)校正的線路輸入電壓影響和控制器的瞬態(tài)響應(yīng)。

OVP引腳

OVP保護(hù)基于INV引腳的信息，但為了防止因分壓電阻損壞導(dǎo)致的輸出過壓，額外設(shè)置了OVP引腳進(jìn)行雙重檢查。兩種OVP條件的保護(hù)恢復(fù)模式不同，第一種OVP觸發(fā)時，開關(guān)立即停止，當(dāng)輸出電壓下降并具有一定遲滯時恢復(fù)開關(guān)；第二種OVP觸發(fā)時，只有當(dāng)VCC電源電壓低于VSTOP并再次高于VSTART，且VovP低于遲滯時才能恢復(fù)開關(guān)。

控制范圍補(bǔ)償

FAN7930B通過輸出電壓補(bǔ)償器控制導(dǎo)通時間。在高輸入電壓和輕負(fù)載時，控制范圍會變窄，為減少輕載時的不必要突發(fā)操作，內(nèi)部實現(xiàn)了控制范圍補(bǔ)償功能，在高線電壓下直到5%負(fù)載都不會出現(xiàn)突發(fā)操作。

零電流檢測

零電流檢測（ZCD）通過與電感耦合的輔助繞組在升壓電感電流達(dá)到零時生成MOSFET的導(dǎo)通信號。輔助繞組電壓可在正負(fù)之間擺動，ZCD引腳的內(nèi)部模塊具有正負(fù)電壓鉗位電路。當(dāng)輔助電壓為負(fù)時，內(nèi)部電路通過向ZCD引腳和輔助繞組之間的串聯(lián)電阻提供電流，將ZCD引腳的負(fù)電壓鉗位在0.65 V左右；當(dāng)輔助電壓高于6.5 V時，電流通過電阻從輔助繞組流向ZCD引腳。

控制過程

FAN7930B將縮放后的輸出與內(nèi)部參考電壓進(jìn)行比較，通過跨導(dǎo)放大器從COMP引腳產(chǎn)生吸電流或源電流。誤差放大器輸出與內(nèi)部鋸齒波形進(jìn)行比較，根據(jù)控制器確定合適的導(dǎo)通時間。與傳統(tǒng)電壓模式PWM控制器不同，F(xiàn)AN7930B在ZCD信號的下降沿導(dǎo)通MOSFET，導(dǎo)通時間持續(xù)到誤差放大器輸出（VCOMP）和鋸齒波形相遇。

軟啟動

當(dāng)VCC達(dá)到VSTART時，內(nèi)部參考電壓在5 ms內(nèi)呈階梯式增加，VCOMP也逐漸升高，MOSFET導(dǎo)通時間平穩(wěn)增加，減少了啟動時功率開關(guān)上的電壓和電流應(yīng)力。

無過沖啟動

PFC的反饋控制速度較慢，啟動時可能觸發(fā)OVP，導(dǎo)致可聽噪聲和電壓應(yīng)力增加。FAN7930B在啟動時通過內(nèi)部比例增益控制器控制反饋回路，當(dāng)輸出電壓達(dá)到額定值后，在30 ms的過渡時間后切換到外部補(bǔ)償器，消除了啟動時的過沖。

THD優(yōu)化

總諧波失真（THD）決定了輸入電流形狀與正弦波的匹配程度。FAN7930B通過ZCD引腳提供電流來優(yōu)化THD，使導(dǎo)通時間在一個交流線路周期內(nèi)根據(jù)輸入電壓成比例變化，在零交叉附近延長導(dǎo)通時間，改善THD性能。

VIN - 缺失檢測

為減少輸入電壓感測電阻的功率損耗和優(yōu)化THD，F(xiàn)AN7930B省略了交流輸入電壓檢測。當(dāng)輸入交流電壓突然中斷時，為保護(hù)MOSFET和二極管，F(xiàn)AN7930B會檢查輸入交流電壓是否存在，如果不存在則重置軟啟動，等待輸入恢復(fù)。

電流感測

通過外部感測電阻感測MOSFET電流進(jìn)行過流保護(hù)，當(dāng)CS引腳電壓高于0.8 V時，過流保護(hù)比較器產(chǎn)生保護(hù)信號，內(nèi)部RC濾波器用于過濾開關(guān)噪聲。

柵極驅(qū)動器輸出

FAN7930B包含一個單圖騰柱輸出級，用于直接驅(qū)動功率MOSFET，驅(qū)動輸出能夠提供高達(dá) +500/ - 800 mA的峰值電流，在1 nF負(fù)載下典型上升和下降時間為50 ns，輸出電壓鉗位到13 V以保護(hù)MOSFET柵極。

六、PCB布局指南

PFC模塊處理高開關(guān)電流，電壓低能量信號路徑可能受到高能量路徑的影響，因此謹(jǐn)慎的PCB布局對于穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要：

1. 柵極驅(qū)動路徑：應(yīng)盡可能短，從柵極驅(qū)動器、MOSFET柵極、MOSFET源極到PFC控制器接地的閉環(huán)應(yīng)盡可能緊密，功率地和信號地的共享位置應(yīng)只有一處，以避免接地環(huán)路噪聲。
2. PFC輸出電壓感測電阻：通常較高以減少電流消耗，為減少INV引腳的噪聲，建議輸出感測路徑盡可能短。如果無法實現(xiàn)短路徑，可在PFC輸出和INV引腳之間放置一些分壓電阻，靠近INV引腳更好。
3. ZCD路徑：建議靠近升壓電感的輔助繞組和ZCD引腳，如果難以實現(xiàn)，可放置一個小于50 pF的小電容來減少噪聲。
4. 開關(guān)電流感測路徑：不應(yīng)與其他路徑共享，可能需要一些額外的組件來降低施加到CS引腳的噪聲水平。

七、典型應(yīng)用電路

以LCD TV電源供應(yīng)為例，F(xiàn)AN7930B在通用輸入下，25%、50%、75%和100%負(fù)載條件下的平均效率高于95%，額定負(fù)載下的功率因數(shù)高于0.98，總諧波失真（THD）低于15%。在設(shè)計時，當(dāng)輔助VCC電源不可用時，VCC電源可通過零電流檢測（ZCD）繞組提供，但需檢查R103的功率額定值；INV引腳的輸入偏置電流幾乎為零，輸出電壓感測電阻應(yīng)盡可能高，但過高的電阻會使節(jié)點易受噪聲影響，需要在功耗和抗噪性之間取得平衡；如果輸出二極管的浪涌電流能力足夠，可省略快速充電二極管（D106）。

八、總結(jié)

FAN7930B作為一款高性能的臨界導(dǎo)通模式PFC控制器，具有豐富的保護(hù)功能、低諧波失真、集成多種實用功能等優(yōu)點，在電源設(shè)計中具有廣闊的應(yīng)用前景。電子工程師在使用FAN7930B進(jìn)行設(shè)計時，需要充分了解其特性和應(yīng)用要求，合理進(jìn)行PCB布局，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。你在使用類似PFC控制器時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。