深度解析L4986：CCM PFC控制器的卓越之選

在電子設(shè)備的電源設(shè)計領(lǐng)域，功率因數(shù)校正（PFC）技術(shù)至關(guān)重要，它能有效提高電源效率、降低諧波失真。今天，我們就來深入剖析一款高性能的CCM PFC控制器——L4986，探究它在設(shè)計中的關(guān)鍵特性和應(yīng)用優(yōu)勢。

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一、關(guān)鍵特性概覽

1. 工作模式與電壓啟動

• 峰值電流模式CCM：L4986采用峰值電流模式連續(xù)導(dǎo)電模式（CCM）操作，能夠提供更穩(wěn)定的電流控制，確保高效的功率轉(zhuǎn)換。
• 800V高壓啟動：集成800V高壓啟動功能，同時具備輸入電壓感應(yīng)能力，可在高壓環(huán)境下快速啟動，并準確感知輸入電壓變化，為后續(xù)的控制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

  2. 低諧波失真與組件精簡

• 低THD表現(xiàn)：獨特的專有乘法器“模擬器”以及創(chuàng)新的THD優(yōu)化器，能在所有操作條件（CCM和DCM）下保證極低的總諧波失真（THD）性能，使電源的輸入電流更接近正弦波，減少對電網(wǎng)的干擾。
• 極少外部組件：僅需極少的外部組件，就能實現(xiàn)完整的PFC功能，大大簡化了設(shè)計復(fù)雜度和電路板空間，降低了成本。

  3. 全面保護機制

• 多重保護功能：具備反饋回路故障、過壓保護（OVP）、過流保護（OCP）、電感飽和保護、欠壓保護（brown - in、brownout）等多種保護功能，其中欠壓保護符合醫(yī)療開關(guān)模式電源（SMPS）標準，能夠有效保障電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，減少故障發(fā)生的概率。

  4. 其他實用特性

• 軟啟動功能：通過軟啟動功能，可在啟動過程中平滑增加電感電流峰值，有效限制啟動時的浪涌電流，避免對電源和負載造成沖擊。
• 開關(guān)頻率可選：提供65kHz（A版本）和130kHz（B版本）兩種開關(guān)頻率選項，工程師可以根據(jù)具體的應(yīng)用需求和設(shè)計要求進行選擇，以優(yōu)化電源性能。
• PGOOD功能：PG_IN是一個可調(diào)輸入比較器，可用于監(jiān)測PFC輸出電壓，并通過PG_OUT引腳輸出相應(yīng)的邏輯信號，方便系統(tǒng)進行電源狀態(tài)的監(jiān)控和管理。

二、工作原理剖析

1. 控制模式基礎(chǔ)

L4986A/B采用傳統(tǒng)的峰值電流模式控制，基于固定關(guān)斷時間（FOT）控制技術(shù)。它通過輸出電壓控制環(huán)將電流檢測信號 (V{CS}) 與內(nèi)部電流參考 (V{CS_REF}) 進行比較，來設(shè)定功率開關(guān)的導(dǎo)通時間 (T{ON})，以維持輸出電壓 (V{OUT}) 的穩(wěn)定調(diào)節(jié)；同時，利用“OFF - TIME modulator”電路來設(shè)定功率開關(guān)的關(guān)斷時間 (T{OFF})，確保在所有工作條件下實現(xiàn)準固定的開關(guān)頻率 (F{SW})。

2. 電壓調(diào)節(jié)與參考生成

• 跨導(dǎo)誤差放大器將輸出電壓 (V{OUT}) 的一部分通過電阻分壓器 (R{3}-R{4}) 引入其反相輸入（FB引腳），與連接到同相輸入的精確內(nèi)部參考 (V{REF})（典型值為2.5V）進行比較，生成與它們差值成比例的誤差信號 (V_{C})。
• “Vin & multiplier estimator”電路根據(jù) (V{C}) 以及FW和ZCD信號，生成電壓 (V{G}(theta)=V{C} K{1} frac{V{I N}(theta)}{V{O U T}})，該電壓與輸入電壓 (V{IN}(theta)) 和控制電壓 (V{C}) 成比例，且無需使用標準乘法器塊和交流線路感應(yīng)。

  3. 不同模式下的電流控制

• CCM模式：“THD - DCM optimizer”電路在CCM操作中作為簡單增益 (K{2}) 起作用，內(nèi)部電流參考電壓 (V{CS_REF}(theta)^{CCM}=V{G}(theta) K{2}=frac{K{M}}{V{O U T}} V{C} V{I N}(theta))?！癟HD - CCM optimizer”電路在功率開關(guān)導(dǎo)通期間向CS引腳提供電流 (I_{THD_CCM}(theta))，使輸入電流呈正弦波，從而實現(xiàn)低THD和高功率因數(shù)（PF）的理想效果。
• DCM模式：在DCM操作中，“THD - DCM”優(yōu)化器塊對 (V{G}(theta)) 電壓進行適當整形，生成電流參考電壓 (V{CS_REF}(theta)^{DCM})，使輸入電流同樣呈正弦波且與輸入電壓同相，達到與CCM模式類似的低THD和高PF性能。

  4. 關(guān)斷時間調(diào)制

  L4986內(nèi)置的新型關(guān)斷時間調(diào)制器能夠在所有工作條件下（CCM和DCM操作）實現(xiàn)準固定的開關(guān)頻率，且不受輸入/輸出電壓、負載條件和轉(zhuǎn)換器寄生參數(shù)的影響。當功率開關(guān)導(dǎo)通時間結(jié)束后，內(nèi)部開關(guān)SW5打開，恒定電流發(fā)生器 (I{R}) 對電容 (C{R}) 進行線性充電，產(chǎn)生的電壓 (V{RAMP}) 與 “Constant (F{SW})” 電路基于 (T{ON}) 生成的電壓 (V{TH_RAMP}) 進行比較。當 (V{RAMP}) 達到 (V{TH_RAMP}) 時，觸發(fā)器置位，外部功率開關(guān)導(dǎo)通，從而根據(jù)導(dǎo)通時間信息對關(guān)斷時間進行調(diào)制，保證開關(guān)頻率的穩(wěn)定性。

三、關(guān)鍵功能詳解

1. 高壓啟動

• 當HV引腳電壓高于 (V{HV_START})（典型值29V）時，高壓啟動電路開啟，開始提供 (I{HV_ON}) 電流（典型值7mA）。該電流扣除啟動前的器件消耗 (I{START_UP})（典型值400μA）后，對連接在VCC引腳和地之間的外部旁路電容進行充電，使VCC引腳電壓近乎線性上升，直至達到器件開啟閾值 (V{CC_ON})（典型值14V）。
• 為保護高壓啟動電路，在VCC引腳電壓低于 (V{CC_SO})（典型值1V）時，(I{HV_ON}) 電流典型值為1mA。當VCC引腳電壓達到 (V{CC_ON}) 后，器件開始工作，為確保系統(tǒng)可靠啟動，HV電流發(fā)生器 (I{HV_ON}) 保持開啟，直到輸出電壓達到編程值的70%（FB引腳高于相應(yīng)閾值）。此外，如果發(fā)生過流請求等情況導(dǎo)致功率消耗過大，HV電流發(fā)生器會在 (T_{TOUT}) 超時（典型值100ms）后自動關(guān)閉。
• 在啟動階段結(jié)束后，系統(tǒng)應(yīng)保證 (V{CC}>V{CC_OFF})。若VCC引腳電壓降至 (V{CC_OFF})，器件將關(guān)閉，高壓啟動電路開啟，將VCC引腳電壓提升至 (V{CC_ON})，并重新啟動操作，同時執(zhí)行軟啟動。

2. 輸入線放電（X - cap放電功能）

為滿足安全法規(guī)（如IEC 61010 - 1/IEC 62368 - 1）要求，L4986內(nèi)置了內(nèi)部邏輯電路。當檢測到設(shè)備與電源線斷開連接時，經(jīng)過檢測時間 (T{DECT_XCAP})（典型值64ms）后，觸發(fā)X電容放電操作，開啟內(nèi)部HV電流發(fā)生器，從HV引腳吸取至少5mA的放電電流 (I{HV_ON})，將EMI濾波器的X電容放電至安全水平（HV引腳電壓降至最大值45V以下），避免使用傳統(tǒng)的與X電容并聯(lián)的放電電阻，從而節(jié)省相關(guān)功率損耗，實現(xiàn)待機狀態(tài)下的超低功耗。

3. 軟啟動

為限制轉(zhuǎn)換器啟動時的浪涌電流，L4986采用軟啟動功能。在 (T{SS_OCP1}) 時間（典型值130ms）內(nèi)，將第一個過流比較器（OCP1）的參考閾值從零逐步增加到 (V{CS_OCP1})（典型值 - 0.49V），使電感電流峰值從0平穩(wěn)上升到控制環(huán)設(shè)定的所需值，以調(diào)節(jié)輸出電壓。

4. 無負載運行（突發(fā)模式功能）

當 (V{COMP}{COMP_S})（典型值1V）時，為避免輕載或零負載情況下輸出電壓的不受控上升，器件停止開關(guān)活動并降低功耗。當 (V{COMP}>V{COMP_R})（典型值1.05V，且與 (V{COMP_S}) 閾值相關(guān)聯(lián)）時，器件重新啟動開關(guān)活動。若在門驅(qū)動器GD處于“高電平”時觸發(fā)突發(fā)模式條件，器件會完成當前導(dǎo)通時間，然后在GD下降沿后停止系統(tǒng)運行。在突發(fā)模式運行期間，系統(tǒng)應(yīng)保證 (V{CC}>V{CC_OFF})，若VCC引腳電壓降至 (V{CC_OFF})，器件將關(guān)閉，高壓啟動電路開啟，將VCC引腳電壓提升至 (V_{CC_ON}) 并重新啟動操作，同時執(zhí)行軟啟動。

為限制輸出電壓過沖（例如由于重載釋放或輕載啟動），當瞬時輸出電壓 (V{OUT}) 高于編程值的約7%時，器件將停止開關(guān)活動。器件通過監(jiān)測FB引腳來檢測過壓情況，F(xiàn)B引腳電壓與輸出電壓 (V{OUT}) 的瞬時值成比例，在穩(wěn)態(tài)條件下等于誤差放大器的內(nèi)部參考 (V{REF})（2.5V）。當FB電壓超過穩(wěn)態(tài)值7%（(V{FB}>V{FB_S})）時，開關(guān)活動停止，直到FB電壓回到接近穩(wěn)態(tài)值（(V{FB}{FB_R})）。為避免保護誤激活，設(shè)置了去抖動時間 (T{DOVP_DB})（典型值50μs）。在OVP條件下，為避免IC意外關(guān)閉，當VCC引腳電壓低于 (V{CC_HVSTUP_OVP}) 閾值（典型值11.5V）時，內(nèi)部HV啟動電路將開啟，將VCC引腳電壓提升至開啟閾值 (V{CC_ON})。

4. 過流（OCP1功能）

為限制在額外電流請求（例如重載變化）情況下的電感峰值電流，器件采用逐周期過流保護。在功率開關(guān)導(dǎo)通期間，器件監(jiān)測CS引腳電壓。當CS引腳電壓降至 (V{CS_OCP1})（典型值 - 0.49V）以下時，內(nèi)部過流比較器觸發(fā)，在正常PWM電路之前終止功率開關(guān)的導(dǎo)通周期，從而將電感峰值電流限制在最大值0.49/ (R{S})。

5. 電感飽和檢測（OCP2功能）

設(shè)置了第二個過流水平 (V{CS_OCP2})（典型值 - 0.75V），用于檢測異常電流值（例如由于升壓電感飽和引起的）。若連續(xù)兩個開關(guān)周期出現(xiàn)這種情況，將激活安全程序，立即停止轉(zhuǎn)換器活動，直到電流水平達到零電流閾值（(V{CS_ZCD})）。零電流閾值監(jiān)測器允許在電源啟動、市電電壓驟降或缺失周期后發(fā)生電流浪涌時進行安全操作，確保僅在過流事件完全結(jié)束后才允許開關(guān)啟動/重新啟動。

6. 反饋故障檢測

器件能夠處理輸出電壓反饋和輸入電流監(jiān)測的可能斷開情況。在啟動時，當VCC引腳電壓達到開啟閾值 (V{CC_ON}) 后，器件會檢查FB和CS引腳。若FB引腳電壓低于內(nèi)部 (V{FB_FF/EBM}) 閾值（典型值0.5V），則認為輸出分壓電阻出現(xiàn)故障（例如 (R{FB_H}) 電阻未安裝），器件將停止開關(guān)活動并降低功耗，設(shè)置去抖動時間 (T{FF/EBM_DB})（典型值1.8μs）以避免誤觸發(fā)；若CS引腳電壓高于內(nèi)部 (V{CSD}) 閾值（典型值200mV），則認為電流檢測電阻出現(xiàn)故障（例如 (R{THD_CCM}) 電阻未安裝和/或 (R{S}) 電阻燒壞），器件將停止開關(guān)活動并降低功耗，要重新啟動轉(zhuǎn)換器，需要將 (V{CC}) 在關(guān)閉閾值 (V{CC_off}) 和開啟閾值 (V{CC_ON}) 之間進行循環(huán)，同時設(shè)置去抖動時間 (T_{CSD_DB})（典型值10μs）以避免誤觸發(fā)。

五、其他重要信息

1. 線路前饋

為使轉(zhuǎn)換器可提供的最大輸出功率相對于交流輸入電壓基本保持恒定，控制器中集成了兩級離散電壓前饋功能。通過HV引腳監(jiān)測交流輸入電壓，并將其與固定閾值進行內(nèi)部比較，以適當設(shè)置等效乘法器增益 (K{M})（具體細節(jié)見表5電氣特性）。在交流輸入電壓低于142Vrms和高于166Vrms時，可保證轉(zhuǎn)換器以正確的 (K{M})