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增强PFC段性能的两种简单调整方法
来源:本站整理  作者:佚名  2010-04-08 18:13:35




● 馈送给负载的功率低于需求时,输出电容放电,补偿功率差额。


● 提供的功率超过负载功耗时,输出电容充电,存储多余的能量。


因此,输出电压呈现出输入线路频率2倍的低频交流含量。不利的是,PFC电流整形(current-shaping)方法均基于控制信号无纹波的假设。否则,就不能够优化功率因数,因为输入线路电流重新复制了控制信号失真。这就是众所周知的PFC电路动态性能差的原因。它们的稳压环路带宽设得极低,从而抑制100Hz或120Hz纹波,否则输出电压就会注入这纹波。


由于系统极慢,PFC段遭受陡峭的负载或输入电压变化时,会在大电容上呈现出大的过冲(over-shoot)或欠冲(under-shoot)。启动序列就是这些瞬态中的一种,能够产生大的电压过应力(over-stress)。

图8 输出电压纹波


图9展示能在启动相位期间观察到的那类过冲。这波特图是使用由NCP1607驱动、负载是下行转换器的PFC段获得的。

图9 启动相位期间的过冲

承受启动过冲
应用软启动是减小过冲的一种自然选择。然而,设计人员所选择的控制器并不必须具有这个功能特性。此外,从定义来看,这种功能减缓了启动速度,而这并非总是可以接受。


另外一种简单的选择涉及在反馈感测电阻分压器处增加一个电容,如图10所示。在这个图中,我们假定感测网络中上部的电阻分割为两个电阻,而电容Cfb并联连接在其中一个电阻的两端。

10 小幅调整反馈网络


如果控制电路中嵌入了传统的误差放大器,让我们分析电容Cfb的影响。在稳态,Cfb改变了传递函数。通过检测,我们立即注意到它增加了:


处于下述频率的一个零点:
              (2)


处于下述频率的一个极点:
           (3)


控制器集成了传导误差放大器(OTA)时,情况就有点不同。这是因为反馈引脚(误差放大器的反相输入)不再是虚接地(virtual ground)。因此,电阻分压器中下部位置的电阻(RfbL)影响了极点频率的表达式。实际上,采用OTA时:
       (4)


然而,PFC输出电压的稳压电平通常处于390V范围,而控制器参考电压处在少数几伏的范围。因此,与(RfbU1+RfbU2)相比,RfbL极小;如果RfbU1与RfbU2处在相同范围,或如果RfbU1小于RfbU2,我们就可以考虑:RfbL=RfbU2。事实上,设计人员基于这些考虑因素,能够得出近似Cfb产生的极点频率,即:
          (5)
最后,两种配置中都获得相同的极点。


这些条件(RfbU1≈RfbU2)或(RfbU1≤RfbU2)并非限制性条件。相反,满足这些条件是明智之举,因为RfbU1两端的电压及相应的Cfb两端的电压取决于RfbU1值与(RfbU1+RfbU2+RfbL)总电阻值的相对比较关系。这就是为什么它们是现实可行的原因。

 
如果RfbU1与RfbU2这两个电阻拥有类似阻值,
 (6)
如果RfbL=RfbU2:
 (7)
最后,如果与RfbU2相比RfbU1极小,我们就获得在控制至输出传递函数中抵消(cancel)的极点和零点。这样,增加Cfb就对环路和交越频率没有影响。如果RfbU1与RfbU2处在相同范围,低频增益就略微增加,交越频率就以跟fp与fz的相同比率增加。事实上,特别是在RfbL=RfbU2时,这个增加的电容并不会大幅改变PFC段的动态性能。


然而,在启动相位期间,这个电容发挥重要作用。当输出电压上升时,Cfb电容也充电。Cfb充电电流增加到反馈电流中,所以稳压电平临时降低。这增加的电流与Cfb电容值成正比,并取决于输出电压的陡峭度,因此,在输出电压快速充电时,这个影响更引人注目。

实际验证
在应用中已经测试了调整方法,反馈网络如下所示:
RfbU1≈RfbU2=470kΩ
RfbL=6.2kΩ


电阻RfbU1两端放置了一个100nF电容。它必须是一种高压电容,因为若我们假定输出电压最大值为450V,它两端的电压可能达到223V。作为一项经验法则(rule of the thumb),我们选择了100nF电容值,这样,在观测到过冲时,时间常数(RfbU1Cfb)就处在启动时间的范围之内。


图11比较没有时的启动序列(左图)与有Cfb时的启动相位(右图)。这些波特图清楚显示电容的影响。Cfb充电电流人为地增加了输出电压(即图中的Vbulk)充电期间的反馈电流,导致预期的控制信号(Vcontrol)放电。因此就没有观测到输出电压过冲。我们可进一步指明,启动时间未受明显影响。

图11 有Cfb(左图)及没有Cfb(右图)时的启动特性


图12显示了没有Cfb时(左图)及有Cfb时(右图)PFC段对突兀的负载改变(120W阶跃)的响应。我们的案例中(RfbU1=RfbU2),Cfb产生并不会相互抵消的额外极点及额外零点,且轻微改变环路特性。然而,最重要的是,采用Cfb还是改善了响应,因为较大的输出偏差(Output deviation)使这些负载阶跃类似于启动瞬态。因此,Cfb在这里同样帮助控制电路出现预料中的所期望的电平恢复。

12 没有Cfb时(左图)及有Cfb时(右图)PFC段对负载阶跃变化的响应

结论
本文讨论了如何解决PFC段经常会面对的两个问题。首先,在CrM应用中,零电流检测在高输入线路时精度不高,而当输入线路电压非常接近输出电压时,可能会出现某些不需要的连续导电模式周期,导致一些功率因数退化,及可能出现一些人耳可听到的噪声。能够使用一颗简单的电阻来改善这功能。其次,在启动序列期间,PFC段也可能呈现出过大的过冲。可以在反馈感测网络中放置一颗电容来限制或抑制这过应力。即便是在电源设计的极晚阶段,这两种调整方法都易于实施。

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