新型CCM PFC控制器ICE1PCS01及其应用

注：如无特殊说明，测试条件均为：，VCC=15V。

4 功能描述

ICE1PCS01控制芯片专门为功率因数变换器设计，支持85VAC-265VAC的宽电压输入范围，适用于BOOST拓扑结构PFC电路，采用平均电流控制模式，工作于连续电流导通模式(CCM)。该芯片具有双环调节功能：内环电流环和外环电压环。在CCM工作模式下电流环控制平均电流跟踪输入电压呈现正弦波，在轻载和一定电感值条件下，系统可能会进入断续电流导通模式(DCM)，此时平均电流波形会有一定程度的畸变，但是即便如此，谐波分量仍然符合IEC 1000-3-2 Class D标准。电压环控制输出电压，根据负载大小，电压环中的补偿器在管脚VCOMP上建立合适的电压值以控制平均输入电流的幅值。ICE1PCS01控制芯片具有多项保护功能以保护系统和芯片处于安全工作状态，如开环保护、输出过压保护、交流电源欠压保护、IC工作电源欠压保护、峰值电流限幅及软过流限幅保护等。

4.1 IC电源欠压保护

ICE1PCS01芯片内部具有一个欠压锁定模块（UVLO）时刻监测引脚VCC处的工作电源，一旦该管脚处的电压超过11.2V而且VSENSE管脚处的电压大于0.8V，ICE1PCS01芯片开始工作，输出驱动脉冲并且实现软启动功能，其工作情况如图3所示。一旦VCC的电压值低于10.5V，ICE1PCS01芯片便关断。另外可以通过降低引脚6（VSENSE）上的电压低于0.8V而使芯片处于关断状态和等待状态，此时电流消耗仅为3mA。

图3 不同VCC值时的工作状态

4.2 独特的软启动功能

软启动过程中，5脚VCOMP上的电压以及输入电流的幅值线性上升，当输出电压达到额定的80 %（对应着6脚VSENSE电压为4V）时，进入正常工作模式。启动过程中输入电流波形如图4所示。与一般的软启动系统相比，该系统仅控制占空比，输入电流保持正弦，不激活峰值电流限幅，因而保护升压二极管不会受到因高占空比形成的大电流的冲击。

图4 软启动过程中输入电流的波形

4.3 系统保护功能

为了提高系统的可靠性，ICE1PCS01芯片提供了多种保护功能，如图5所示。

图5 依据ISENSE电压时的BOP、SOC和PCL保护功能

(1) 输入欠压保护（BOP）

当输入电压Vin跌至设计输入最小值（如通常设计时所取的最小值85V），对应3脚（ISENSE）电压低于-0.6V，而芯片电源Vcc还未跌至欠压锁定电压UCCUVLO时，为避免在一定输出功率下BOOST变换器母线产生超出设计范围的高电流，输入欠压保护动作。如果一个系统没有设计输入欠压保护（BOP），那么在一定输出功率下该boost变换器将持续从网侧吸收高电流，从而超过输入电流的最大设计值。

(2) 软过流限幅( SOC)

当电感电流进一步升高，使得3脚（ISENSE）电压VISENSE低于-0.73 V时，此时软过流限幅开始动作，它并不像峰值电流限幅（PCL）那样直接关断开关管，而是通过非线性增益模块来减小PWM的占空比，从而限制电流的幅值。

(3) 峰值电流限制幅（PCL）

ICE1PCS01芯片提供了单周峰值电流限幅（PCL）保护功能，当3脚（ISENSE）电压VISENSE进一步降低，低于-1.08 V时动作，直接关断开关管。

(4) 开环保护（OLP）

当输出电压跌至额定的16 %，或者对应6脚VSENSE电压跌至0.8V时，认为系统处于开环状态（例如VSENSE脚未接上的情况）或者正常工作时输入电压不足，此时，芯片绝大多数模块关闭。

(5) 输出欠压保护（OUV）

当电网断开或者输入欠压时，PFC变换器将不能提供额定的输出功率，从而导致输出电压低于额定值，ICE1PCS01芯片提供了输出欠压保护功能，一旦芯片检测到输出电压降至额定的50％时，该模块动作，和开环保护（OLP）类似，芯片将停止工作。

(6) 输出过压保护（OVP）

当输出电压超出额定的5%，对应着VSENSE电压大于5.25 V时，芯片跳过电压控制环运算放大器快速减小占空比，使电压在一个短时间内恢复到正常值。

4.4 PWM调制原理

当电压环工作，输出电压恒定时，CCMBOOSTPFC电路开关管关断占空比为：，DOFF是正比于VIN的。而电流环调整电感电流的平均值，使之正比于DOFF，如图6所示，PWM波由斜坡信号与输入电感平均电流比较得到。通过这种前沿调制方式，使平均电流与DOFF成正比。斜坡信号由内部振荡器产生，幅值一方面受到内部控制信号的控制，另一方面却可以影响输入电流的幅值。

PWM信号的产生如图7所示，每一个脉冲周期开始就存在着一个死区时间TOFFMIN（典型值为250ns），在这个死区时间内，PWM信号为低电平，开关管为关断状态，TOFFMIN结束以后，斜坡信号VRAMP才开始上升，在VRAMP上升至与输入平均电流信号交点时，PWM信号电平开始为高，开关管开始导通，直至本周期结束。

图6 CCM模式下的平均电流控制 图7 PWM信号产生波形

4.5 增强的动态响应

由于PFC的固有属性，PFC动态环路总是用低带宽进行补偿，目的是不对频率为2fL的纹波响应，fL为交流电源频率。所以当负载突变时，调整电路不能做出快速响应，从而引起输出电压起落过大。该芯片中，一旦输出电压超出正常值的5 %，芯片将跳过慢补偿运算放大器，直接作用于内部非线性增益模块而影响占空比，使输出电压能够在一个短时间内回复到正常值。

5 典型应用

采用ICE1PCS01作为BOOST功率因数变换器的控制芯片的典型应用电路图如图8所示。

图8 ICE1PCS01典型应用电路图