LT1509：高效的功率因數(shù)與PWM控制器

在電子工程師的設(shè)計(jì)工作中，尋找一款能滿足復(fù)雜需求的功率因數(shù)校正（PFC）和脈寬調(diào)制（PWM）控制器至關(guān)重要。今天，我們就來深入了解一下Linear Technology Corporation的LT1509，它是一款為通用離線開關(guān)電源提供的完整解決方案。

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關(guān)鍵特性

集成度高

LT1509將PFC和PWM功能集成在單芯片中，這種高度集成的設(shè)計(jì)大大簡化了電源設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，減少了外部元件的使用，降低了成本和電路板空間。

同步性能出色

它能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)300kHz的同步操作，這使得電源在高頻下也能穩(wěn)定工作，提高了電源的效率和性能。

功率因數(shù)優(yōu)異

在20:1的負(fù)載電流范圍內(nèi)，功率因數(shù)可達(dá)99%，這意味著電源能夠更有效地利用電能，減少電能的浪費(fèi)，符合現(xiàn)代節(jié)能的要求。

保護(hù)功能完善

具備瞬時(shí)過壓保護(hù)和專用的過壓保護(hù)（OVP引腳），能及時(shí)響應(yīng)過壓情況，保護(hù)電源和負(fù)載設(shè)備的安全。同時(shí)，它還具有最小的線電流死區(qū)，減少了電流失真，提高了電源的穩(wěn)定性。

低功耗設(shè)計(jì)

典型啟動(dòng)電源電流僅為250μA，靜態(tài)電流低至13mA，這使得電源在待機(jī)和輕載狀態(tài)下的功耗極低，延長了設(shè)備的續(xù)航時(shí)間。

驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)

擁有快速的2A峰值電流柵極驅(qū)動(dòng)器，能夠快速驅(qū)動(dòng)功率MOSFET，提高了開關(guān)速度，減少了開關(guān)損耗。

軟啟動(dòng)控制靈活

提供獨(dú)立的軟啟動(dòng)控制，可根據(jù)不同的應(yīng)用需求調(diào)整啟動(dòng)時(shí)間，避免了啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊，保護(hù)了電源和負(fù)載設(shè)備。

應(yīng)用領(lǐng)域

LT1509適用于通用功率因數(shù)校正電源和預(yù)調(diào)節(jié)器，廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中，如計(jì)算機(jī)電源、通信電源、工業(yè)電源等。

詳細(xì)解析

工作原理

LT1509的PFC部分與LT1248 PFC控制器類似，但由于PFC和PWM內(nèi)部同步，取消了EN/SYNC引腳。電流模式PWM部分（LT1508是電壓模式的對應(yīng)產(chǎn)品）包含了將PFC預(yù)調(diào)節(jié)的高壓輸出轉(zhuǎn)換為隔離低壓輸出的所有初級側(cè)功能。PWM占空比內(nèi)部限制在47%（最大50%），以防止變壓器飽和。當(dāng)PFC輸出達(dá)到預(yù)設(shè)電壓時(shí)，PWM軟啟動(dòng)開始；在短暫的線路失電情況下，當(dāng)PFC輸出電壓降至預(yù)設(shè)值的73%以下時(shí)，PWM將關(guān)閉。

電氣特性

從電氣特性表中可以看出，LT1509在不同的工作條件下都能保持穩(wěn)定的性能。例如，在欠壓鎖定狀態(tài)下，電源電流僅為0.25 - 0.45mA；在正常工作狀態(tài)下，電源電流為13 - 19mA。VCC開啟閾值為15.5 - 17.5V，關(guān)閉閾值為9.5 - 11.5V。這些參數(shù)為工程師在設(shè)計(jì)電源時(shí)提供了重要的參考依據(jù)。

典型性能特性

通過典型性能特性圖表，我們可以直觀地了解LT1509在不同工作條件下的性能表現(xiàn)。例如，PFC電壓放大器和電流放大器的開環(huán)增益和相位特性，參考電壓與溫度的關(guān)系，乘法器電流與IAC和VAOUT的關(guān)系等。這些特性有助于工程師優(yōu)化電源設(shè)計(jì)，提高電源的性能和穩(wěn)定性。

引腳功能

• GTDR1（引腳1）：PFC MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器，采用快速圖騰柱輸出，鉗位在15V。為防止過沖，需使用至少5Ω的柵極串聯(lián)電阻。
• GND2（引腳2）：功率地，當(dāng)GTDR1或GTDR2開關(guān)為低電平時(shí)，此線路會(huì)出現(xiàn)高電流尖峰。
• GND1（引腳3）：模擬地。
• CSET（引腳4）：該引腳到GND的電容和RSET決定振蕩器頻率，振蕩器斜坡為5V，頻率計(jì)算公式為(frequency = 1.5 / (R{SET} C{SET}))。
• PKLIM（引腳5）：峰值電流限制比較器的閾值為GND?？赏ㄟ^從VREF到電流檢測電阻連接電阻分壓器來設(shè)置電流限制。
• CAOUT（引腳6）：電流放大器的輸出，通過命令脈寬調(diào)制器來感應(yīng)并迫使線電流跟隨來自乘法器的參考信號(hào)。當(dāng)CAOUT為低電平時(shí)，調(diào)制器占空比為零。
• ISENSE（引腳7）：電流放大器的反相輸入，該引腳通過ESD保護(hù)二極管鉗位在 - 0.6V。
• MOUT（引腳8）：乘法器的高阻抗電流輸出和電流放大器的同相輸入，該引腳鉗位在 - 0.6V和3V。
• IAC（引腳9）：乘法器的交流線電壓感應(yīng)輸入，是一個(gè)偏置在2V的電流輸入，可最小化由低線電壓引起的交叉死區(qū)。在該引腳，一個(gè)25k電阻與電流輸入串聯(lián)，以便在高線阻抗環(huán)境中使用低通RC濾波器濾除來自線路的開關(guān)噪聲。
• VAOUT（引腳10）：電壓誤差放大器的輸出，輸出鉗位在13.5V。當(dāng)輸出低于2.5V時(shí)，乘法器輸出電流為零。
• OVP（引腳11）：過壓比較器的輸入，閾值為參考電壓的1.05倍。當(dāng)比較器觸發(fā)時(shí)，乘法器迅速抑制，使PFC開關(guān)空白，以防止進(jìn)一步過沖。該引腳也是PWMOK比較器的輸入，當(dāng)PFC輸出接近最終電壓時(shí)，釋放PWM軟啟動(dòng)（SS2）。
• VREF（引腳12）：7.5V參考電壓，當(dāng)VCC變低時(shí)，VREF保持在0V。VREF為大多數(shù)內(nèi)部電路提供偏置，并可向外提供高達(dá)5mA的電流。
• VSENSE（引腳14）：電壓放大器的反相輸入。
• SS1（引腳16）：軟啟動(dòng)，當(dāng)VCC低于鎖定閾值時(shí)，SS1復(fù)位為零；當(dāng)VCC高于鎖定閾值時(shí)，SS1由內(nèi)部12μA電流源和外部電容控制，以一定速率上升。在上升過程中，PFC參考電壓等于SS1電壓；當(dāng)SS1超過7.5V時(shí)，參考電壓保持在7.5V。
• VCC（引腳17）：芯片電源，需要良好的電源旁路，由一個(gè)0.1μF陶瓷電容和一個(gè)低ESR電解電容（56μF或更高）并聯(lián)，靠近IC GND。
• SS2（引腳13）：PWM軟啟動(dòng)，PWMOK比較器監(jiān)測OVP引腳，當(dāng)PFC輸出接近預(yù)設(shè)電壓時(shí)，釋放SS2。
• VC（引腳18）：PWM電流模式控制電壓，通常連接到光耦放大器輸出，有一個(gè)50μA的上拉電流流出該引腳。
• RAMP（引腳19）：PWM電流模式電流檢測輸入，電流限制設(shè)置為1V。
• GTDR2（引腳20）：PWM MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器，是一個(gè)1.5A快速圖騰柱輸出，鉗位在15V。為防止過沖，需使用至少5Ω的柵極串聯(lián)電阻。

應(yīng)用信息

電壓誤差放大器

電壓誤差放大器具有100dB的直流增益和3MHz的單位增益頻率。輸出內(nèi)部鉗位在13.3V（VCC = 18V時(shí)），當(dāng)VCC小于12V時(shí)，最大誤差放大器輸出電壓降至(V_{CC} - 1.5V)。其非反相輸入通過二極管連接到7.5VREF，并可通過SS1引腳下拉。通過合理選擇電阻和電容的值，可以實(shí)現(xiàn)對電壓環(huán)的補(bǔ)償，提高電源的穩(wěn)定性和精度。

電流放大器

電流放大器具有110dB的直流增益、3MHz的單位增益頻率和2V/μs的壓擺率，內(nèi)部鉗位在8.5V。在電流平均操作中，為了最小化線電流失真，需要在兩倍線頻率處具有高增益。同時(shí)，為了避免次諧波振蕩，電流放大器在開關(guān)頻率處的增益不能過高。

乘法器

乘法器具有高抗噪性和出色的線性度，其電流增益計(jì)算公式為(I{M}=(I{AC} I{EA}^{2}) / (200 mu A^{2}))，其中(I{EA}=(VA{OUT} - 2V) / 25k)。為了避免將開關(guān)頻率噪聲引入乘法器，需要在IAC引腳使用低通濾波器。乘法器的最大輸出電流由RSET引腳到GND1的電阻決定，計(jì)算公式為(I{M(MAX)} = 3.75V / R_{SET})。

振蕩器頻率和最大線電流設(shè)置

振蕩器頻率由RSET和CSET決定，計(jì)算公式為(f{OSC} = 1.5 / (R{SET} C_{SET}))。在穩(wěn)態(tài)操作中，通過合理選擇RS的值，可以使輸入電流跟隨輸入線電壓，保持恒定的母線電壓。同時(shí)，LT1509還提供了第二個(gè)獨(dú)立的電流限制比較器，用于進(jìn)一步保護(hù)電源。

過壓保護(hù)

由于功率因數(shù)校正需要較慢的環(huán)路響應(yīng)，在突然負(fù)載減少或移除時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)輸出過沖。LT1509通過過壓比較器來檢測輸出電壓，并迅速減少線電流需求，以保護(hù)下游組件。此外，為了在無負(fù)載或輕負(fù)載條件下調(diào)節(jié)輸出電壓，放大器M1會(huì)在VAOUT降至2.2V時(shí)提供電流，以抵消負(fù)的Vos，保持輸出電壓誤差在2V以內(nèi)。

欠壓鎖定和軟啟動(dòng)

LT1509在VCC達(dá)到16V時(shí)啟動(dòng)，直到VCC降至10V以下才會(huì)進(jìn)入鎖定狀態(tài)。在鎖定狀態(tài)下，振蕩器關(guān)閉，VREF和柵極驅(qū)動(dòng)器引腳保持低電平。通過SS1和SS2引腳的軟啟動(dòng)控制，可以避免啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊，保護(hù)電源和負(fù)載設(shè)備。

啟動(dòng)和電源電壓

在芯片啟動(dòng)前，LT1509僅消耗250μA的電流?？梢酝ㄟ^從電源線到VCC連接一個(gè)91k電阻來提供涓流啟動(dòng)電流，C4在開關(guān)啟動(dòng)時(shí)保持VCC。啟動(dòng)后，輔助繞組接管并提供工作電流。

輸出電容

GTDR2（PWM）脈沖與GTDR1（PFC）脈沖同步，延遲53%的占空比，以減少輸出電容中的RMS紋波電流。輸出電容的選擇需要考慮電壓紋波、保持時(shí)間和紋波電流等因素。

PWM比較器

LT1509的PWM部分包含兩個(gè)比較器，實(shí)現(xiàn)峰值電流模式控制。通過RAMP引腳和VC引腳的設(shè)置，可以控制初級峰值電流水平。片上消隱功能可以避免由于前沿噪聲引起的復(fù)位。

典型應(yīng)用

圖9展示了一個(gè)24VDC、300W的功率因數(shù)校正通用輸入電源。該電源采用2晶體管正激變換器，具有低峰值電流、無耗散緩沖器、500VDC開關(guān)和自動(dòng)磁芯復(fù)位等優(yōu)點(diǎn)。通過使用LT1509的50%最大占空比保證了磁芯的復(fù)位。同時(shí)，通過光耦和參考放大器實(shí)現(xiàn)了從次級側(cè)到初級側(cè)的閉環(huán)控制，使輸入電流跟隨輸入線電壓，保持恒定的母線電壓。

總結(jié)

LT1509是一款功能強(qiáng)大、性能優(yōu)異的功率因數(shù)與PWM控制器，它為電子工程師提供了一個(gè)高效、可靠的電源設(shè)計(jì)解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師可以根據(jù)具體的需求和設(shè)計(jì)要求，合理選擇外部元件，優(yōu)化電路參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)最佳的電源性能。你在使用類似的控制器時(shí)遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。