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应用方案 | 隔离电流检测放大器在PFC升压系统中的应用

PFC( Power Factor Correction) 被称为“功率因数校正”,被定义为有效功率和总耗电量 (视在功率) 的比值。当使用于大中功率开关电源时,提高功率因数可以降低电网传输中的损耗从而提高电能的输送效率。因此提高功率因数有着重要的意义。

本文将为大家介绍川土微电子CA-IS120X/130X系列产品在PFC中的应用,并针对实际应用提出使用方法和控制建议。

01 功率因数的定义

功率因数定义为交流电路有功功率P(W)对视在功率S(V*A)的比值。当交流电压和电流相位不同时,则功率因数小于1。用户电器设备在一定电压和功率下,该值越高效益越好,发电设备越能充分利用。常用表示,功率因数。

图1:功率因数定义

对于没有PFC 的升压电路,主要由整流桥电路,升压功率级以及控制电路组成,如图 2 所示。整流电路将市电(220V/50Hz)转化成直流电,整流后由于升压电路输入存在大电容(CBULK)造成有尖峰电流。另外,此时在输入市电侧产生畸变的电流iac,里面含有基波成分,也含有谐波成分。在该电路中,升压电路只控制输出电压VOUT,对输入电流没有任何调节。波形如图 3 所示:

图2:整流桥+升压电路
图3:整流桥+升压电路典型波形

PFC电路将输入侧相电流也加入控制环路,对电流波形和相位进行调节,从而实现提高功率因数的控制。

如图 4 所示。检测到的输出电压和输出参考电压进行比较,通过PI或PID将输出误差放大,放大后的信号和输入总线电压Vbus相乘,从而得到直流母线侧的电流的参考 包络线,最后通过控制器可以在保证输出电压达到预定值的情况下母线电流追踪母线电压。该控制器有多种控制方法和架构,后面章节会讲述。

注:忽略直流侧输入母线电压过低引起的电压无法转换问题,实际存在填谷电路。

图4:整流桥+PFC 升压电路

02 高边电流采样

电流采样一般分为高边采样和低边采样。高边采样具有比较高的对地共模电压,可以使用川土微电子的产品CA-IS3105W做为隔离电源。R_SNS为高边采样电阻,当电流流过电阻时,该电阻上产生压降,使用电流放大器CA-IS1200/CA-IS1300将压降传送到低压侧,通过ADC转换成数字信号送入DSP或MCU。也可以使用CA-IS1204、CA-IS1305/06将差分电压信号传送到低边,通过MCU直接取低压侧的数字信号。

高边采样如图 5和图 6所示。

图5:高边电流采样示意图1
图6:高边电流采样示意图2

高边侧电流采样方式使用时有以下特点:

1>供电复杂,必须使用隔离电源。

2>隔离电源输出地连接采样侧的低电压端,不能连接至功率级GND。

3>使用隔离电源时要注意输入和输出侧使用LDO或滤波器,以防止输入输出侧电压纹波干扰其他信号。

4>正常工作时高边侧供电隔离栅耐压为母线电压,因此对隔离器耐压是考验,最终影响芯片工作寿命。

5>高边采样对于升压boost电路而言,可以对电感全开关周期内电流进行监控和控制, PFC boost电路控制方式多样灵活。

高边采样PFC 升压电路的控制方法

01 定频峰值电流控制

电感峰值电流,定频率控制,如图 7所示。输出电压和参考电压通过PI/PID进行比较放大,在和输入直流总线电压相乘得到总线电流指令值。控制逻辑通过比较器U2和触发器U1产生。如果开关管Q2开通,Q1关闭,那么电感电流ibus增大。K_ibus为ibus一定比例放大后的转换值。当电流K_ibus达到指令峰值VCOMP时,比较器U2输出高电平,重置触发器U1,此时开关管Q2关闭,Q1开通,电感电流放电直至触发器由于固定频率的脉冲而被置高。

图7:定频峰值电流控制PFC升压电路

如图 8所示,工作于CCM(Continuous Current Mode) 的升压电路,当电感电流触碰到指令电流后,电感电流停止充电开始放电,电感电流形成的包络线呈正弦波。包络线的平均值接近正弦波形。对于工作于DCM(Discontinuous Current Mode)的升压电压。电感电流触碰到指令电流后,电感电流停止充电并开始放电,当电流降至零时触发电流过零检测逻辑,开关管Q1关闭且保持关闭状态直至时钟信号触发下一开关周期的开关管通断。工作于峰值电流控制模式时,开关频率保持定值。

图8:BCM峰值控制PFC升压电路

还有一种介于DCM和CCM之间被称为BCM(Boundary Current Mode),即电感放电至过零时,启动下一开关周期的通断,因此电路中需要电流过零检测(ZCD)环节。该模式下开关频率可变,随输入、输出、负载等情况变化。电路和波形分别如图 9和图 10 所示。

图9:BCM 峰值控制PFC 升压电路
图10:BCM 峰值控制PFC 升压电路波形

02 迟滞控制

迟滞控制(Hysteresis Control)将被控量的上下限做为控制的参数。当电流碰到目标控制量上限时,电感电流开始放电,直至碰到控制量下限。该种控制将被控量控制在一定范围内,控制相对简单,频率不固定,控制电路如图 11,波形如图 12 所示。

图11:迟滞控制PFC 升压电路
图12:迟滞控制PFC 升压电路波形

03 低边电流采样

如果将采样电阻串联在开关管上为低边电流采样,如图 13 和图 14 所示。

低边采样具有低的对地共模电压,R_SNS 为高边采样电阻,当电流流过电阻时,该电阻上产生压降,使用电流放大器CA-IS1200/CA-IS1300 将压降传送到低压侧,通过ADC 转换成数字信号送入DSP 或MCU,如图 13 所示。也可以使用CA-IS1204、CA-IS1305/06 将差分电压信号传送到低边,通过MCU 直接读取低压侧的数字信号,如图 14 所示。该种采样模式由于高压侧参考对地,因此可使用隔离电源CA-IS3105W,但是隔离电源输入和输出建议串接LDO 或者滤波器连接至VDD2,这样依然有一定的成本。另外一种方式即电阻和稳压管串联的,这种方式比较经济。

低边侧电流采样方式使用时有以下特点:

1> 供电相对简单,可以不使用隔离电源。

2> 如果使用隔离电源供电,要注意输入和输出侧使用LDO 或滤波器,防止输入输出侧电压纹波干扰其他信号。

3> 正常工作时隔离栅电压很低,因此对一般情况下隔离栅承受应力很小。

4> 高边采样对于升压boost 电路而言,开关周期内只能对电感充电电流进行监控和控制, PFC boost 电路控制方式受限。

图13:低边电流采样示意图1
图14:低边电流采样示意图2

低边电流采样PFC 升压电路的控制方法

01 固定开关时间控制COT

当电感电流触碰到指令电流后,电感电流停止充电开始放电,通过One-shot 逻辑产生一个固定时间的脉冲宽度即一个固定的放电时间。当这个固定的时间完成,电感电流开始充电直至电感电流再次碰到指令电流。电感电流形成的包络线呈正弦波。包络线的平均值接近正弦波形。该模式下开关频率可变,随输入、输出、负载等情况变化。

图15:固定关断时间控制电路
图16:固定关断时间控制波形

除以上控制方式除外,还有其他控制方式例如平均电流模式控制,谷值电流控制,固定开通时间(Constant On Time),电压控制模式等,本章不再详细叙述。

02 高边采样和低边电流采样对比分析

04 电压采样

由于PFC 电路中需要对输入母线和输出电压做采样。采样输入母线电压用于获得输入电压的相位信息,采样输出电压用于负反馈回路,如图 17 所示。当需要电压采样时,要注意输入电压的范围以保证输入采样得到的共模和差模电压在放大器的正常工作范围内。使用分压电阻将输入电压按比例降下来然后再送入电流放大器,必须满足以下条件:

注:公式(3)非必须满足,使用DSP 或者MCU 滤波算法亦可实现数字滤波功能。

VRange 为放大器最大输入差分电压,Vbus 为输入直流母线电压最大值, f_Vbus 为输入直流母线电压频率。

R3=R2//R1 用来抵消放大器由于输入电流引起的失调电压。C1 和R1,R2,R3 组成低通滤波器对放大器输入电压进行滤波。详情请参看川土应用笔记《基于CA-IS1200_1300 的隔离母线电压检测方案》。

采样输出压为了获得输出电压,用于负反馈控制,如图 17 所示。当需要输出电压采样时,要注意输出电压的范围以保证输入采样得到的共模和差模电压在电流放大器的正常工作范围内。使用分压电阻将输入电压按比例降下来然后再送入电流放大器,必须满足以下条件:

VRange 为放大器最大输入差分电压,VOUT 为输出电压, fs 为变换器开关频率。

图17:升压电路电压采样图

05 PCB设计范例

低边电流采样PFC 升压电路的控制方法

01 电流检测放大器应用于检测电流注意事项

当电流检测放大器用于检测电流时,必须注意以下事项,如图 18 所示:

1> C1 和C2 为芯片供电提供储能和滤波功能,因此C1 和C2 紧靠芯片VDD1 和VDD2 引脚摆放。

2> R_SNS 为电流检测电阻,当电流流过该电阻时产生压降,该压降通过送入电流检测放大器。设计时尽量用差分走线方式。当差分线比较长时,可以采用R1 和R2,C2 做为滤波器,也可以减少差分线由于阻抗偏差造成的检测误差,因此R1=R2。

3> INP/INN、OUTP/OUTN 差分对容易受到干扰,设计时注意远离干扰源,一般为高𝑑𝑉/𝑑𝑡或𝑑𝑖/𝑑𝑡信号。

4> 如果输出为OUTP 和OUTN,建议设计成等长差分走线。如果走线比较长,建议串接欧姆级电阻以减少差分线由于阻抗偏差造成的检测误差。

5> 如果输出为二次侧为CLKIN 和DOUT,该信号为强干扰信号,应远离其他信号。走线附近包地处理,即走线附近铜箔通过过孔VIA 连接GND2。

6> 两侧地在PCB 的顶层和底层保持8mm 以上间距以防止高压爬电,如图 19 所示。

图18:应用于电流检测的PCB 设计范例
图19:两隔离地间保持足够距离以防止爬电

02 电流检测放大器应用于检测电压时注意事项

当电流检测放大器用于检测电压时,必须注意以下事项,如图20 所示:

1> C1 和C2 为芯片供电提供储能和滤波功能,因此C1 和C2 紧靠芯片VDD1 和VDD2 引脚摆放。

2> R_top 和R_bot 为电压检测分压电阻,用于检测输出电容Bulk Cap 上的电压。该两个元件尽量靠近芯片摆放。走线方式。检测电压时,建议将电容两级电压分别走线送到送到分压电阻端,以提高检测精度。如果被检测电压很高,则建议用多个分压电阻串联以降低单个电阻的功耗。

3> INP/INN、OUTP/OUTN 差分对容易受到干扰,设计时注意远离干扰源,一般为高𝑑𝑉/𝑑𝑡或𝑑𝑖/𝑑𝑡信号。

4> 如果输出为OUTP 和OUTN,建议设计成等长差分走线。如果走线比较长,建议串接欧姆级电阻以减少差分线由于阻抗偏差造成的检测误差。

5> 如果输出为二次侧为CLKIN 和DOUT,该信号为强干扰信号,应远离其他信号。走线附近包地处理,即走线附近铜箔用过孔VIA 连接GND2。

6> 两侧地在PCB 的顶层和底层保持8mm 以上间距以防止高压爬电,如图 19 所示。

图20:应用于电压检测的PCB 设计范例

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CA-IF4420符合 ISO11898-2 (2016) 高速CAN(控制器局域网络)物理层标准。所有器件均设计用于数据速率高达 5Mbps(兆位每秒)的 CAN FD网络。该器件支持总线故障保护电压±58 V,具有极性控制端口POL,可以控制总线的极性。该系列器件包含VIO电源的电平逻辑转换,允许将收发器IO直接连接到1.8V、2.5V、3.3V或5V逻辑IO。
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