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单片机PFC+PWM控制器


摘要:
CM6800是美国CMC半导体公司生产的新一代单片PFC+PWM控制器,该芯片采用了LETE(同步前沿PFC/后沿PWM技术)等多项专利技术,从而减小了电路中的滤波电容值且不再需要前馈电阻,同时具有绿色模式、软启动、故障检测、欠压、过压保护等功能,其主动式PFC(功率因子校正)可使功率因子接近于1。文中介绍了CM6800的主要特点、引脚功能及内部结构,给出电压模式及电流模式的应用电路。
关键词:PFC;PWM;大功率开关电源;占空比;谐波干扰



1 引言

美国CMC半导体公司推出的单片PFC+PWM控制器CM68xx和CM69xx系列产品,由于采用了LETE(上升沿调制PFC/下降沿调制PWM)和TM(增益调制技术)等专利技术从而使CM68xx和CM69xx这两种系列芯片的增升电容可以做到非常小,从而节省无功功耗和元件成本。另外,也可提供全面保护(如电压保护、过压保护、过流保护、短路保护及过热保护等)功能,其主动式的PFC(功率因子校正)可使功率因子接近1。CM68xx系列和CM69xx系列涵盖了从50W到5000W的应用,这使得它们可以广泛地应用于PC电源、空调、大屏幕彩电、监视器、UPS、AC adaptor等众多需要开关电源的应用领域。CM6800与CM6903的软启动电流仅为100μA,其中CM6800采用DIP16封装,CM6903为SIP9封装,它们均具有极高的性价比。本文仅介绍大功率产品CM6800的结构、特点及应用。



2 CM6800/1的主要特点

CM6800/1内含脉宽调制控制器,能促进小型低成本大容量电容在开关电源设计中的应用。同时该产品还可降低电力线路负载,减小场效应管的应力,从而设计出完全符合IEC-1000-3-2规范的开关电源产品。

CM6800/1的主要特性如下:

●PWM部分添加了反向限流;

●23V Bi-CMOS处理;

●通过VIN OK可保证以2.5V而不是1.5V运作PWM;

●具有同步的前沿PFC及后沿PWM;

●为超快PFC响应提供有高转换率误差放大器;

●具有低启动电流(100μA type.)和低工作电流(3.0mA type.)特性;

●低THD、高PF;

●利用PFC与PWM之间的存储电容可减小纹波电流;

●具有平均电流控制模式,同时具有连续或非连续工作模式的boost型前沿PFC;

●内含VCC OVP 比较器,可低功率检测;

●PWM电路既可以采用电流模式,也可以采用电压模式工作;

●可通过电流反馈增益调节器改善电路的噪声影响;

● 内部含有断电保护、过压保护、欠压锁定(UVLO)、软启动及电压参考电路。



3 CM6800/1的引脚功能及参数

3.1 引脚功能

CM6800/1电源控制器具有SOP-16(S16)和PDIP-16(P16)两种封装形式,两种封装的工作温度范围均为-40℃~+125℃。表1给出了它们各引脚功能及该脚的工作电压。

表1 CM6800/1引脚功能及工作电压

引脚编号名  称引脚说明工作电压
Min.Typ.Max.Unit
1IEAOPFC电流误差放大器输出04.25V
2IACPFC增益控制参考输入01mA
3ISENSEPFC限流比较器的电流监测输入-50.7V
4VRMSPFC RMS线上的电压补偿输入06V
5SSPWM软软启动电容的连接点08V
6VDCPWM电压反馈输入08V
7RMP1(RTCT)振荡器频率设定,可由外部RTCT电路设定频率1.23.9V
8RMP2(PWM RAMP)当采用电流模式时,该引脚为测试电流输入;当采用电压模式时,该引脚为从PFC输出的PWM输入(斜坡电压)06V
9DC ILIMITPWM限流比较器输入01V
10GND接地脚
11PWM OUTPWM驱动信号输出0VccV
12PFC OUTPFC驱动信号输出0VccV
13VCC芯片正电源101520V
14VREF内部7.5V参考电压缓冲输出端7.5V
15VFBPFC电压误差放大器输入02.53V
16VEAOPFC电压误差放大器输出06V


3.2 主要参数

CM6800/1的主要参数如下:

● 器件最高工作电压Vcc为23V;

● PFC最大输出电流为1A;

● PWM最大输出电流为1A;

● IAC最大输入电流为1mA;

● IREF最大输入电流为10mA;

● PFC、PWM的输出电压范围均为(GND-0.3)~(VCC+0.3)V;

● IEAO 脚的电压为0~4.5V;

● 片内振荡器的振荡频率:66~75.5kHz(TA=25℃);

● PFC占空比范围为0~95%;

● PWM占空比范围为0~49.3%;

● 软启动电流典型值为100μA;

● 操作电流典型值为3.0mA;

● 欠压锁定门限电压典型值为13V。



4 CM6800/1的内部结构原理

CM6800/1的内部结构框,它由一个平均控制电流以及连续的boost同步前沿PFC和后沿PWM组成,其中PWM既可用于电流模式又可用于电压模式。而在电压模式中,与PFC输出相接的前馈控制电路可改善PWM的线性控制规则;在电流模式中,PWM通常用下降沿(后沿)调制方式,而PFC则用上升沿(前沿)调制。这种前、后沿调制专利技术的运用使得PFC的误差放大器具有较宽的带宽,而且能够有效地减小与PFC DC端相连的电容的尺寸。

CM6800/1具有功率因数校正和大量的保护功能,其中包括软启动、PFC过压保护、峰值电流限制、断电保护、占空比限制及欠压锁定等。

PFC部分由增益调节器、电压误差放大器、电流误差放大器、过压比较器、PFC限流比较器、电压参考电路及振荡器等组成。其中增益调节器是PFC的主要部分,它可以对干线电压波形、频率、RMS线上电压、PFC输出电压以及整个电流反馈的响应进行控制。PWM部分由脉宽调制器、PWM限流比较器、VIN OK比较器、PWM控制(RAMP2)电路(电流模式及电压模式)、软启动电路、占空比限制电路及直流限流比较器等组成。这一部分最重要的问题是和PFC部分的内部同步问题,其同步特性简化了PWM的补偿电路,它主要靠PFC的输出电容(即PWM输入电容)来对纹波进行控制,而且PWM的工作频率与PFC相同。

CM6800/1突出的优点是采用了同步的前沿PFC和后沿PWM调制技术。PWM的后沿调制是在系统时钟的后沿开关将要接通时进行的。其方法是将误差放大器的输出和调制的斜坡电压进行比较,然后在开关接通期间确定其后沿调制的有效占空比,其后沿调制示意图。而前沿调制是在系统时钟的前沿开关断开时进行的,其方法是当调制斜坡电压达到误差放大器输出电压时,开关接通,并在开关断开期间确定前沿调制的有效占空比。

这种控制技术的优点之一是只需要一个系统时钟,开关1(SW1)断开和开关2(SW2)接通可在同一瞬间将瞬时的“no-load”周期减至最小,从而通过开关作用得到较低的纹波电压同时在同步开关作用下减小前端的纹波电压。采用这种方法,可将120Hz的PFC的输出纹波电压改善30%。



5 CM6800/1的应用

CM6800/1集成芯片可广泛应用于大功率开关电源中,CM6800/1芯片以电流模式工作的应用电路,芯片工作在电压模式的应用电路。在电流模式应用中,RAMP2端的信号可直接从电流感应电阻R19得到,且在变换器的输出期间为一个典型的电流。同时,DCILIMIT可用于提供周期性的限制电流,在该应用中,它可直接和RAMP2连在一起,而且DCILIMIT输入还可用于输出进行过流保护。而在电压模式应用时,RAMP2端和一个RC定时电路(R62、C50)连接在一起,可产生一个斜坡电压,其最小值为0V,最大值约为5V。需要说明的是:应用与PFC输出相连接的前馈电路可为PWM提供一个理想的周期斜坡信号,这对改善其线性规则的准确性和响应有一定帮助。