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对于电源设计人员来说,电压环路的小信号带宽是一个非常严峻的挑战。该环路对小信号变化响应的最短时间大约为100ms,而该环路对大信号变化响应的时间可能要花上数百毫秒,如启动时的信号变化。启动期间,由于电压环路对大信号瞬态响应的校正不够快,因此可能会出现升压电压过冲现象。为了避免上电时的过冲现象,电源设计人员可能不得不缓慢地调高输出电压。这种情况一般是通过使用软启动(SS)功能来实现,大多数先进的脉冲宽度调制(PWM)控制器都具备这一功能。
典型PFC的应用评论
PFC预调节器是两级功率系统中特有的部分。第一级为一个升压转换器,该转换器通过平均电流模式控制得到输入电流波形,以实现单位功率因数。要使升压转换器能正常运行,这就需要一个高于输入电压的输出电压,并且第二级需要对该电压进行降压,使其成为可用输出电压。
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图1(见最后一页)所示原理图表明,PFC预调节器设计用于在脱离通用线电压(如85Vrms至265Vrms之间)的情况下运行,并将DC输出调节为385v和250w。第二个功率级一般位于这个预调节器的下游,该预调节器是专门设计用于在输入电压为其输出电压的75%时正常工作,这样便可以应对“欠压”的情况。
所带来的挑战
在一些应用中,设计工作需要一个快速启动,而并不会选择缓慢的升压。加速软启动最大的问题是由升压引起的过冲现象:图1所示的升压电容(C12)电气应力。
需要设计一个如图1所示的电路来实现在300ms时间以内的软启动。设计方面的要求是在300ms时间内升压不超过其目标输出电压的75%。图5的波形反应了该设计的软启动特性。CH1是指输出电压(Vout),CH2是指电压放大器输出电压(VAOUT),CH3是指软启动(SS)电压,而CH4则是指来自UCC3817的DRVOUT 引脚的栅极驱动信号。UCC3817控制升压开关Q1。
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该电源的设计,是为了使输出电压(Vout)跟UCC3817PFC控制器引脚13处的软启动(SS)电压。但是,由于转换器的电压环路响应较慢,输出电压并没有跟踪SS,而是在上电过程中出现过冲,并达到将近13%的过冲量,大约435V的峰值。从图3的波形可以观察到,控制IC的软启动功能运行正常。输出电压和VAOUT会跟踪软启动,一直到输出电压达到385V。一旦VOUT超过385V,由于需要一个最小的占空比,电压放大器输出会降低,但是电压环路响应太慢而无法避免出现过冲现象。
解决方案
图6所示的简易电路可以用于消除过冲现象,并加速电源启动特性。通过去除R3和C4并连接额外电路,便可实现这样的电路。如欲了解完整的电路实施过程,请参见图1和图6。
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工作原理
电压环路会将VSENSE引脚电压调节到大约7.5V。电路的功能是加载一个2V电压至VSENSE引脚,该引脚在上电期间会欺骗(fooling)电压放大器。当升压达到其调节输出电压的75%时,这种做法将会导致Q1的栅极驱动关闭,从而降低上电期间输出端的过冲峰值数量。
该电路充分利用了软启动功能,许多PWM控制集成电路都有这样的功能。PWM控制器的软启动(SS)引脚会提供10A的充电电流,当SS引脚电压达到一个5-V直流电的电平时,才会停止提供充电电流。二极管DA、晶体管QA和QB以及电容器C4共同构成了电路时序。在对电容器C4进行充电时,晶体管QA开启,使PNP晶体管QB栅极电压下降。分压器是由RB、RC和R3A以及二极管DB组成,在上电期间可以通过其依次给VSENSE引脚加载一个大约2V的电压。待电容器CA完全充电后,晶体管QA关闭,从而使电路失效。
电路实施
将图6的电路添加到图1所示的升压调节器中。图7所示的示波器图表明了升压调节器的启动特性。CH1是指输出电压(Vout),CH2是指电压放大器输出电压(VAOUT),CH3是指软启动(SS)电压,而CH4则是指来自UCC3817的DRVOUT引脚的栅极驱动信号。UCC3817控制升压开关Q1。在该波形中,我们可以观察到该电路是符合设计要求的。升压电压绝不能高于385V,并且要在300ms时间内被调节至额定电压的75%。
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结论
为了满足THD和PF 要求,PFC预调节器的环路频率通常约为10Hz。电压环路需要近500ms的时间来对大信号瞬态进行响应,例如:启动等。为了解决该问题,电源设计人员通常的做法是,使他们设计的软启动功能变慢。然而,使用上述简易电路不但可以减少过冲现象,而且还可以缩短预调节器上电的时间。