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s technical experts. ON Semiconductor does not convey any license under its patent rights nor the rights of others. ON Semiconductor products are not designed, intended, or authorized for use as a critical component in life support systems or any FDA Class

3 medical devices or medical devices with a same or similar classification in a foreign jurisdiction or any devices intended for implantation in the human body. Should Buyer purchase or use ON Semiconductor products for any such unintended or unauthorized application, Buyer shall indemnify and hold ON Semiconductor and its officers, employees, subsidiaries, affiliates, and distributors harmless against all claims, costs, damages, and expenses, and reasonable attorney fees arising out of, directly or indirectly, any claim of personal injury or death associated with such unintended or unauthorized use, even if such claim alleges that ON Semiconductor was negligent regarding the design or manufacture of the part. ON Semiconductor is an Equal Opportunity/Affirmative Action Employer. This literature is subject to all applicable copyright laws and is not for resale in any manner. www.fairchildsemi.com ? 2010飞兆半导体公司 www.fairchildsemi.com Rev . 1.0.1 ? 10/16/13 AN-6921 集成的临界模式 PFC /准谐振 电流模式PWM控制器FAN6921 1. 引言 本应用指南介绍采用飞兆半导体FAN6921 PFC/PWM组合 控制器的电源系统的实用逐步设计依据,其中结合了临 界导通模式(BCM)功率因数校正(PFC)控制器和准谐振 (QR) PWM控制器.图1显示的是典型应用电路,其中BCM PFC转换器位于前端,准谐振反激式转换器位于后端. FAN6921针对75~200W应用能以相对较低的成本实现高效 率,使采用单开关的BCM和QR操作具有最佳性能.BCM升压PFC转换器与连续导通模式(CCM)升压PFC转换器相比 ,能以较低成本实现更高效率.该优势主要源于消除了 升压二极管的反向恢复损耗,并且升压开关采用了零电 压切换(ZVS) 或接近ZVS(也称为波谷切换,或谷值切 换).用于DC-DC转换的准谐振反激式转换器与具有谷 底开关功能的传统硬开关转换器相比,可实现更高效率 . 此外,FAN6921具有可变PFC输出电压功能,可通过减少 低压线路条件下的PFC转换器导通损耗以及DC-DC转换器 级开关损耗而提高整体效率. 图1. 典型应用电路 AN-6921 应用指南 ? 2010飞兆半导体公司 www.fairchildsemi.com Rev. 1.0.1 ? 10/16/13

2 2. BCM升压PFC转换器的工作原理 对于升压转换器而言,最常用的工作模式为连续导电模 式(CCM)和临界导电模式(BCM).这些参照流经升压 转换器储能电感的电流,如图2中所示.顾名思义,在CCM 模式下电感电流为连续,但是在BCM 模式下,新的 开关周期起始于电感电流回零时刻,处于连续导通和断 续导通工作模式的临界状态.即使BCM 工作下电感和功 率开关具有较高的电流有效值,但是BCM 能够允许 MOSFET 和二极管具有较好的开关条件.如图2所示,消 除了二极管反向恢复,且无需使用快速 碳化硅(SiC)二 极管.MOSFET同样以零电流导通,可减少开关损耗. 图2.CCM与BCM控制BCM PFC基本概念是在每个转换周期电感电流从零开始 ,如图3所示.当升压转换器的功率晶体管导通时间固 定时,电感电流峰值与输入电压成正比例.由于电流波 形为三角波,每个开关周期内的电流平均值也与输入电 压成正比.在正弦电压输入情况下,该转换器的输入电 流会高精度地跟随输入电压波形,从电源汲取出一个正 弦电流波形.该性能使得工作在BCM 模式下的升压转换 器成为功率因数校正的理想备选方案. BCM 的副特性是升压转换器的开关频率会发生变化,而 且主要依赖于所定的输出电压、输入电压瞬态值、升压 电感的感值以及传输至负载侧的输出功率.当输入电流 遵循正弦输入电压波形时工作频率改变,如图3中所示 .最低频率出现在正弦输入电压峰值处. 图3.BCM PFC的工作波形升压电感的电压-秒平衡方程为: (1) 式中,VIN(t)表示整流器后电源电压. 可得BCM 升压PFC 转换器的开关频率为: (2) 其中VIN,PK是线路电压的振幅,fLINE是线路频率. 图4显示的是MOSFET导通时间和开关频率如何随输出功 率增大而变化.当负载减小时,如图4右侧所示,电感 电流峰值随着MOSFET接通时间的减少而减小,同时开关 频率增加. AN-6921 应用指南 ? 2010飞兆半导体公司 www.fairchildsemi.com Rev. 1.0.1 ? 10/16/13

3 图4.BCM PFC的频率变化由于具有可变开关频率的BCM PFC转换器的线路滤波器 和电感设计应在最小频率条件下完成,因此检查BCM PFC转换器的最小频率如何随工作条件而变化是很有必 要的. 图5显示的是最小开关频率,它出现在峰值电路电压时 ,是针对不同输出电压设置的线路电压有效值的函数. 对于通用线路应用而言,只要输出电压低于约405V,最 小开关频率就会出现在高压线路(265VAC)上. 图5.最小开关频率与有效线路电压(L = 780?H, PO U T = 100W) 3. 准谐振反激式转换器的工作原理 准谐振反激式转换器拓扑可从传统方波脉冲宽度调制 (PWM)反激式转换器获取,无需添加额外元器件.图6和图7显示的是准谐振反激式转换器的简化电路图及其典 型波形.基本工作原理如下: ? 在MOSFET导通时间(tON)内,输入电压(VIN)施加在整 个初级端电感(Lm)上.MOSFET 电流(IDS) 由零至峰 值(Ipk) 线性上升.在此期间,电能从输入获取并 存储在电感中. ? MOSFET关断时,电感中存储的电能会使整流二极管 (D)强制处于导通状态.在二极管导通时间(tD)内, 输出电压(Vo)施加在整个次级端电感上,二极管电 流(ID)从峰值线性下降到零.在tD结束时,存储在 电感中的所有电能都会被传递到输出端.在此期间 ,输出电压反映到初级端,即Vo? Np/Ns.随后,输 入电压(VIN)和输出反射电压(Vo? Np/Ns)之和施加到 整个MOSFET上. ? 二极管电流达到零时,漏极至源极电压(VDS)开始以 初级端电感(Lm)和MOSFET输出电容(Coss)之间的谐振 频率振荡,幅度为Vo? Np/Ns,失调电压为VIN,如图7 所示.当VDS达到其最小值时,通过使MOSFET导通便 可实现准谐振开关.这样就降低了由MOSFET 的漏 极-源极之间电容负荷引起的开通损耗. 图6.准谐振反激式转换器原理图AN-6921 应用指南 ? 2010飞兆半导体公司 www.fairchildsemi.com Rev. 1.0.1 ? 10/16/13

4 图7.准谐振反激式转换器的典型波形4. 设计考量 此设计步骤使用图1 中的原理图作为参考.选用带通用 输入范围的90W PFC应用作为设计示例.设计指标如下 : - 线路电压范围: 90~264VAC (60Hz) - DC-DC转换器输出: 19V/4.7A (90W) - PFC输出电压(高压线路): 400V (VO.PFC.H) - PFC输出电压(低压线路): 260V (VO.PFC.L) - 最小PFC开关频率: >

50kHz - 掉电保护线路电压: 70VAC - 输出过压保护跳变点: 22.5V - 总体效率: 90% (PFC级: 95%,DC-DC级: 95%) 部件A. PFC 环节[STEP-A1] 升压电感的设计 升压电感的感值决定于输出功率和最低开关频率.根据 式2,在给定电源电压和MOSFET 导通时间情况下,最低 开关频率为: (3) 其中: VLINE是RMS线路电压;

tON是MOSFET导通时间;

VO.PFC是PFC 输出电压. 在标称输出功率和给定电源电压情况下,MOSFET 导通 时间为 (4) 其中:指整机效率;

? L 指升压电感. POUT 是额定输出功率. 采用式4,则式3 的最低开关频率为: (5) 由于只要PFC输出电压低于405V(如图5中所示),高压 输入下就会出现最小开关频率,因此设定输出电压和最 小开关频率后,电感值可由下式给出: (6) 其中VLINE,MAX是最大线路电压. 随着最低开关频率的下降,开关损耗逐渐降低,但是电 感尺寸和电源滤波器尺寸将增大.因此,最低开关频率 应该取决于效率与磁芯原件尺寸之间的折衷.最小开关 频率必须高于20kHz,以避免声频噪声. 一旦电感值确定,低压线路电压条件和标称输出功率下 的最大峰值电感电流就可由下式获得: (7) 其中,VLINE,MIN是最小线路电压. 由于最大导通时间内部限定在20?s,因此根据下式它应 小于20?s: (8) 升压电感匝数的确定应该考虑磁芯的饱和问题.最小匝 数为: (9) 其中Ae是磁心横截面积,?B是磁心最大通量摆幅(单位 :特斯拉).?B应设为低于饱和磁通密度. AN-6921 应用指南 ? 2010飞兆半导体公司 www.fairchildsemi.com Rev. 1.0.1 ? 10/16/13

5 (设计示例)由于高压线路的输出电压为400V,而 低压线路时的输出电压为260V,因此最小频率发生 在高压线路(264VAC)和满载条件下.假........