LT8312在功率因數(shù)校正電路中的應(yīng)用

任學(xué)強(qiáng)，冉云飛

（連云港杰瑞電子有限公司，江蘇 連云港 222000）

0 引 言

有源功率因數(shù)校正已成為隔離式開關(guān)電源的一項(xiàng)要求，如果控制輸入電流與輸入電壓成比，可實(shí)現(xiàn)最高為1的功率因數(shù)[1]。LT8312是功率因數(shù)校正控制芯片。基于LT8312的設(shè)計(jì)，可采用有源方式調(diào)整輸入電流，實(shí)現(xiàn)大于0.99的功率因數(shù)，從而達(dá)到減少大多數(shù)諧波電流干擾其他設(shè)備的目的。LT8312非常適合廣泛的離線應(yīng)用程序，外部組件可以放大或縮小輸入范圍，輸出效率可達(dá)95%以上，功率可達(dá)250 W。

1 LT8312的基本組成

LT8312原理圖如圖1所示，其由以下幾部分組成。第一，電流比較器（A1）。開關(guān)電流采樣信號(hào)經(jīng)運(yùn)算放器A4后，加到電流比較器的同相輸入端，乘法器輸出加到反相輸入端，輸出端接鎖存器的R端，當(dāng)比較器輸出高電平時(shí)，復(fù)位鎖存器。第二，DCM比較器（A2）。采樣的主回路電流波形加到比較器的同相輸入端，反相輸入端為1.22 V基準(zhǔn)電壓，輸出端經(jīng)單觸發(fā)電路接到鎖存器的S端，當(dāng)比較器輸出高電平時(shí)，單次置位鎖存器。第三，輸入電壓采樣反向器（A3）。采樣輸入電壓波形，經(jīng)反相器反相后加到乘法器的輸入端。第四，輸出電流采樣放大器（A4）。采樣開關(guān)輸出電流值，經(jīng)放大器放大后加到電流比較器的輸入端。第五，乘法器（MULTIPLER）。乘法器的輸入端接反相器A3和A6的輸出，輸出端加到電流比較器A1的反相輸入端。第六，反相器（A6）。電壓誤差放大器輸出經(jīng)隔離反相后加到乘法器的輸入。第七，運(yùn)算放大器（A7）。反相輸入端為1.22 V基準(zhǔn)源，同相端為VIN經(jīng)R10、R11電阻的分壓值，輸出接P溝道MSOFET，構(gòu)成線性穩(wěn)壓電路，為柵極驅(qū)動(dòng)提供電壓。第八，電壓誤差放大器（A8）。輸出電壓經(jīng)電阻分壓后加到反相輸入端，與同相輸入端的1.22 V基準(zhǔn)電壓比較，差值經(jīng)放大反相后加到反相器的輸入端。

2 LT8312的引腳定義

GND(1、2、3、7、8腳)：接地端，內(nèi)部所有電壓的測試基準(zhǔn)點(diǎn)。

VREF（4腳）：電壓基準(zhǔn)輸出端。典型值為2 V，可提供多達(dá)200 μA的驅(qū)動(dòng)電流。

OVP（5腳）：過電壓保護(hù)端。此引腳通過分壓電阻接入到VREF端，作為電路過壓保護(hù)的參考電壓。當(dāng)FB引腳電壓高于此引腳電壓時(shí)，芯片停止轉(zhuǎn)換，以保護(hù)輸出端器件。

VC（6腳）：內(nèi)部誤差放大器的補(bǔ)償端。此引腳通過串聯(lián)RC網(wǎng)絡(luò)連接到接地端，以補(bǔ)償誤差放大器，并聯(lián)一個(gè)100 pF電容器以降低干擾。

FB（9腳）：電壓環(huán)反饋端。此引腳用于調(diào)節(jié)輸出電壓，通常由電阻分壓實(shí)現(xiàn)。

DCM（10腳）：不連續(xù)導(dǎo)通模式檢測端。通過電容器和電阻器串聯(lián)到輔助繞組。

VIN（11腳）：輸入電壓。此引腳提供內(nèi)部啟動(dòng)電路工作所需的電流和內(nèi)部低壓差線性穩(wěn)壓電路（LDO）所需的電壓，應(yīng)用時(shí)必須外接旁路電容，內(nèi)部并聯(lián)了42 V穩(wěn)壓電路。

EN/UVLO（12腳）：使能/欠壓鎖定端。通過VIN電阻分壓連接到此引腳，以設(shè)定LT8312工作的最小輸入電壓。當(dāng)?shù)陀?.25 V時(shí)，該部件將輸出60 μA電流，大部分內(nèi)部電路失效，并輸出10 μA滯環(huán)電流；當(dāng)超過1.25 V時(shí)，該部分使能并開始工作，同時(shí)關(guān)閉10 μA滯環(huán)電流的輸出。

INTVCC（13腳）：內(nèi)部負(fù)載和門驅(qū)動(dòng)器的線性穩(wěn)壓電路供電端。VIN提供并穩(wěn)壓到10 V（典型值），此引腳必須外接一個(gè)4.7 μF的電容器。

GATE（14腳）：N溝 道FET柵 極。 電 壓 在INTVCC和GND之間切換，在關(guān)狀態(tài)下輸出接地，在開狀態(tài)下輸出接INTVCC電壓。

SENSE（15腳）：控制回路的電流采樣端。此引腳接在N溝道FET的源極和與其連接的電流采樣電阻的正極，采樣電阻的負(fù)極應(yīng)放置在芯片接地端最近的位置。

VIN（SENSE）（16腳）：輸入電壓采樣端。該引腳通過采樣交流輸入電壓，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正功能，需要串聯(lián)一個(gè)電阻器到此引腳。

圖1 LT8312原理圖

3 工作原理

LT8312在電流模式控制和臨界導(dǎo)電模式的應(yīng)用中，可以實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)和低諧波失真。圖1顯示了芯片的總體視圖，外圍組件選擇Boost拓?fù)渑渲茫o助繞組在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)為芯片供電[2]。

3.1 啟動(dòng)過程

LT8312在高隔離電壓狀態(tài)下采用滯回啟動(dòng)的方式工作，連接電源電壓的電阻器用于保護(hù)芯片不受高壓影響。該電阻器連接到芯片的VIN引腳，并旁路一個(gè)電容。當(dāng)VIN引腳充電到EN/UVLO設(shè)置的啟動(dòng)電壓，而INTVCC引腳處電壓達(dá)到穩(wěn)壓點(diǎn)時(shí)，芯片正常工作。該電阻器不能為LT8312穩(wěn)態(tài)工作提供電源，而是依靠電容器啟動(dòng)，輔助繞組取代電阻為VIN引腳提供電源。內(nèi)部穩(wěn)壓電路連接VIN引腳，以防止電阻器電流超過此引腳的絕對(duì)最大電壓。內(nèi)部穩(wěn)壓電路電壓值為40 V，室溫下可輸出8 mA（典型值）電流。

3.2 校正過程

在一個(gè)典型的工作周期中，柵極驅(qū)動(dòng)器打開外部MOSFET，電流流過電感，此電流以與輸入電壓成正比的速率增加?？刂苹芈反_定最大電流，當(dāng)達(dá)到電流限值時(shí)，在電流比較器的作用下關(guān)閉驅(qū)動(dòng)器。當(dāng)外部MOSFET關(guān)閉時(shí)，電感電流流到輸出電容器的二極管，此電流以與輸出電壓和輸入電壓之差成正比的速率減小。當(dāng)電流減小到零時(shí)，輸出二極管關(guān)閉，MOSFET漏極上的電壓在寄生電容和電感的作用下產(chǎn)生振鈴，輔助繞組與主電感相同，會(huì)產(chǎn)生電壓變化和振鈴現(xiàn)象。當(dāng)發(fā)生振鈴時(shí)，連接到DCM引腳的C1電容器觸發(fā)比較器A2（為dv/dt檢測器），dv/dt檢測器等待振鈴波形達(dá)到最小值，柵極驅(qū)動(dòng)器重新打開。這種開關(guān)動(dòng)作類似于零電壓開關(guān)，將開關(guān)動(dòng)作損失的能量減少到最小，效率提高了5%。由于其工作在連續(xù)導(dǎo)電模式和非連續(xù)導(dǎo)電模式的邊緣；因此，這種工作模式被稱為臨界導(dǎo)電模式(或邊界傳導(dǎo)模式)。在低電流限值下，臨界導(dǎo)電模式的頻率會(huì)升高，LT8312的最大頻率鉗為400 kHz。當(dāng)自然臨界導(dǎo)通模式的頻率大于400 kHz時(shí)，該芯片工作在不連續(xù)導(dǎo)通模式。

3.3 反饋過程

輸出電壓通過連接FB引腳的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，連接內(nèi)部誤差放大器的反相輸入端，同相輸入端是1.22 V基準(zhǔn)電壓。通常情況下，F(xiàn)B引腳電壓通過輸出端電阻分壓獲得，該引腳額定電壓值為1.25 V。

4 部分參數(shù)的設(shè)置和選擇

4.1 設(shè)置VIN開啟電壓與VIN關(guān)斷電壓

開啟和關(guān)斷電壓差值應(yīng)大一些，以保證輔助繞組有足夠的時(shí)間提供能量。EN/UVLO引腳設(shè)置兩個(gè)電壓值，當(dāng)引腳電壓小于1.25 V時(shí)，可提供10 μA的灌電流；當(dāng)超過1.25 V時(shí)，可提供0 μA的灌電流。VIN引腳電壓可通過電阻分壓方式獲得，如圖2所示。

圖2 EN/UVLO

VIN上升時(shí)的UVLO閾值為：

VIN下降時(shí)的UVLO閾值為：

4.2 設(shè)置輸出電壓

輸出電容處使用電阻分壓連接到FB引腳。由圖1可知，電阻R3和R4從輸出電容中形成電阻分壓。輸出電壓公式：

4.3 設(shè)置VIN(SENSE)電阻

VIN（SENSE）電阻器設(shè)置內(nèi)部乘法器（調(diào)節(jié)功率因數(shù)的關(guān)鍵部件）輸入電流限制值。當(dāng)為最大線路電壓VMAX時(shí)，電流設(shè)置為360 μA，在此條件下，電阻值等于(VMAX/360 μA)。

4.4 設(shè)置VC端電容

反饋環(huán)通過傳統(tǒng)的跨導(dǎo)誤差放大器實(shí)現(xiàn)。設(shè)置環(huán)路交叉頻率低于母線頻率的兩倍，以保證PFC正常工作。在一個(gè)典型的應(yīng)用中，VC端補(bǔ)償電容為1 μF。

4.5 設(shè)置DCM端電容

不連續(xù)模式檢測器采用交流耦合方式檢測輔助繞組的振鈴波形。大多數(shù)設(shè)計(jì)中，推薦使用等效內(nèi)阻為30 kΩ阻值的22 pF電容器。

4.6 電流檢測電阻的選擇

RSENSE設(shè)置在外部N溝道MOSFET的源極和GND之間，選擇適當(dāng)?shù)淖柚堤峁╅_關(guān)電流以驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，且不超過電流限制閾值。

4.7 MOSFET和二極管選擇

LT8312柵極驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到1.9 A，能有效驅(qū)動(dòng)大多數(shù)高壓MOSFET。建議采用低QG MOSFET，以最大限度提高效率。大多數(shù)應(yīng)用中，應(yīng)選擇RDS（ON）參數(shù)控制MOSFET的溫升。當(dāng)MOSFET關(guān)閉、二極管導(dǎo)通時(shí)，MOSFET的漏極電壓應(yīng)為Vout端電壓；當(dāng)開關(guān)打開時(shí)，二極管電壓應(yīng)為Vout端電壓，通過二極管的平均電流應(yīng)為負(fù)載電流。

5 注意事項(xiàng)

（1）輸入范圍：LT8312可以在65～90 V的交流輸入電壓中工作。（2）最小電流限制：LT8312的最小電流限制約為峰值電流極限的3%，這有助于改善輸入供電變化產(chǎn)生的諧波失真。（3）控制回路的工作頻率：當(dāng)VIN(SENSE)引腳用電阻連接電源電壓時(shí)，電流極限與電源電壓成比例。如果LT8312被配置為快速控制環(huán)，VC引腳將根據(jù)VIN（SENSE）的變化進(jìn)行調(diào)整。要想乘法器發(fā)揮作用，唯一方法是將控制回路參數(shù)設(shè)置為比VIN（SENSE）信號(hào)的基頻更慢的數(shù)量級(jí)。隔離式電源的應(yīng)用中，電源電壓的基頻為100 Hz，因此控制回路的單位增益頻率需設(shè)置在10 Hz以下。

圖3 電路圖實(shí)例

6 實(shí)際應(yīng)用電路

根據(jù)工作原理，選擇適當(dāng)參數(shù)，設(shè)計(jì)一款實(shí)用產(chǎn)品，如圖3所示。

用示波器測試實(shí)際輸出電壓波形，如圖4所示。

圖4 輸出電壓波形

7 結(jié) 論

LT8312芯片具有高功率因數(shù)、低諧波失真、過壓保護(hù)、超低空載功耗和16引腳超小外形封裝等優(yōu)點(diǎn)。采用該芯片設(shè)計(jì)的電路僅需要少量的外圍器件即可實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正功能，可應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域和航空領(lǐng)域。