深入解析FAN9611：交錯(cuò)式雙BCM PFC控制器的卓越性能與應(yīng)用

在電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域，功率因數(shù)校正（PFC）技術(shù)對于提高電源效率、減少諧波失真至關(guān)重要。今天，我們將深入探討安森美（onsemi）的FAN9611交錯(cuò)式雙邊界傳導(dǎo)模式（BCM）PFC控制器，了解其特點(diǎn)、工作原理以及應(yīng)用場景。

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一、FAN9611簡介

FAN9611是一款能夠控制兩個(gè)并聯(lián)連接的升壓功率級，且使它們以180°異相運(yùn)行的PFC控制器。交錯(cuò)技術(shù)將控制技術(shù)的最大實(shí)際功率水平從約300W擴(kuò)展到超過800W。與常用于高功率水平的連續(xù)傳導(dǎo)模式（CCM）技術(shù)不同，BCM提供了升壓二極管的固有零電流開關(guān)，允許使用較便宜的二極管而不犧牲效率。此外，由于紋波電流抵消和開關(guān)頻率的有效加倍，輸入和輸出濾波器可以更小。

二、關(guān)鍵特性

1. 同步鎖定交錯(cuò)技術(shù)

Sync - Lock交錯(cuò)技術(shù)確保在所有條件下實(shí)現(xiàn)180°異相同步，在輕載時(shí)自動(dòng)禁用相位，并具備死相檢測保護(hù)功能。

2. 高電流柵極驅(qū)動(dòng)器

具有2.0A灌電流和1.0A拉電流的高電流柵極驅(qū)動(dòng)器，能夠提供強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)能力。

3. 高功率因數(shù)和低總諧波失真

采用電壓模式控制并結(jié)合((V_{IN})^{2})前饋，可實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)和低總諧波失真。

4. 閉環(huán)軟啟動(dòng)

用戶可編程的軟啟動(dòng)時(shí)間可減少過沖，同時(shí)具備最小重啟頻率以避免可聽噪聲，還有最大開關(guān)頻率鉗位功能。

5. 多重保護(hù)功能

提供偏置欠壓鎖定（UVLO）、輸入欠壓、過流、開環(huán)反饋、輸出過壓以及冗余鎖存過壓保護(hù)等功能。

三、工作原理

1. 邊界傳導(dǎo)模式（BCM）

BCM是FAN9611采用的控制算法，其核心是每個(gè)開關(guān)周期電感電流從零開始。當(dāng)升壓轉(zhuǎn)換器的功率晶體管導(dǎo)通一段固定時(shí)間時(shí)，電感峰值電流與輸入電壓成正比。由于電流波形為三角形，每個(gè)開關(guān)周期的平均值也與輸入電壓成正比，使得轉(zhuǎn)換器的輸入電流能高精度地跟隨輸入電壓波形，從而實(shí)現(xiàn)接近單位功率因數(shù)。

2. 交錯(cuò)操作

FAN9611控制兩個(gè)并聯(lián)的升壓轉(zhuǎn)換器，它們以180°異相運(yùn)行。這種交錯(cuò)操作可顯著降低電源輸入和輸出端的紋波電流，有利于減少輸入EMI濾波器的要求，并降低電源輸出電容器的高頻RMS電流。

3. 電壓調(diào)節(jié)和電壓模式控制

電源的輸出電壓通過負(fù)反饋回路和脈沖寬度調(diào)制器（PWM）進(jìn)行調(diào)節(jié)。PWM采用電壓模式控制，將人工斜坡與誤差放大器的輸出進(jìn)行比較，以確定轉(zhuǎn)換器功率晶體管的導(dǎo)通時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)。

4. 輸入電壓前饋

為克服電壓模式控制在PFC應(yīng)用中的不足，F(xiàn)AN9611采用輸入電壓前饋技術(shù)。當(dāng)PWM斜坡與輸入電壓的平方成正比時(shí)，可消除輸入電壓變化對輸出電壓的影響，同時(shí)使閉環(huán)電源的小信號增益與輸入電壓無關(guān)，便于電壓調(diào)節(jié)回路的補(bǔ)償。

四、功能描述

1. 零電感電流檢測（ZCD）

每個(gè)ZCD引腳內(nèi)部鉗位接近0V，內(nèi)部感測電路為真正的微分器，可捕捉漏極波形的谷值。通過輔助繞組與ZCD引腳之間的電阻進(jìn)行電流限制，確保零電流檢測的準(zhǔn)確性。

2. 5V偏置軌（5VB）

5VB是內(nèi)部5V偏置軌的旁路電容引腳，推薦電容值為220nF。當(dāng)FAN9611處于欠壓鎖定狀態(tài)時(shí)，5V軌被拉低；當(dāng)VDD引腳超過UVLO開啟閾值時(shí)，5V軌開啟，可用于控制浪涌電流限制電路。

3. 最大導(dǎo)通時(shí)間控制（MOT）

最大導(dǎo)通時(shí)間由連接到模擬地（AGND）的電阻設(shè)置，其值是RMS輸入電壓的函數(shù)。通過調(diào)整該電阻值，可以控制功率MOSFET的最大導(dǎo)通時(shí)間。

4. 軟啟動(dòng)（SS）

軟啟動(dòng)通過在SS引腳和AGND之間連接電容進(jìn)行編程。啟動(dòng)時(shí)，軟啟動(dòng)電容快速預(yù)充電至比反饋引腳（FB）電壓低約0.5V，然后由5μA電流源緩慢充電，以確保電壓調(diào)節(jié)回路在啟動(dòng)過程中保持閉合，避免輸出電壓過沖。

5. 誤差放大器補(bǔ)償（COMP）

COMP引腳是誤差放大器的輸出，通過(R{S})和(C{S})與AGND的組合對電壓回路進(jìn)行補(bǔ)償。誤差放大器的輸出與轉(zhuǎn)換器的輸入功率成正比，且與輸入電壓無關(guān)?？刂破鞯南辔还芾黼娐犯鶕?jù)COMP引腳的電壓切換單相位或雙相位操作。

6. 輸出電壓反饋（FB）

FB引腳接收轉(zhuǎn)換器輸出電壓的分壓，在調(diào)節(jié)過程中，F(xiàn)B引腳電壓應(yīng)為3V。非鎖存過壓檢測電路監(jiān)測FB引腳，當(dāng)FB電壓超過3.25V時(shí)，防止升壓MOSFET導(dǎo)通；當(dāng)FB電壓恢復(fù)到3V時(shí)，操作自動(dòng)恢復(fù)。

7. 二次輸出電壓感測（OVP）

可通過OVP引腳實(shí)現(xiàn)二級鎖存過壓保護(hù)，閾值設(shè)置為3.5V。有多種編程方式可供選擇，以滿足不同的應(yīng)用需求。

8. 輸入電壓感測（VIN）

VIN引腳用于感測輸入交流電壓，用于輸入欠壓鎖定（欠壓保護(hù)）和PWM控制電路中的輸入電壓前饋。內(nèi)部電路采用峰值檢測技術(shù)，可快速響應(yīng)輸入電壓的變化。

9. 柵極驅(qū)動(dòng)輸出（DRV1、DRV2）

DRV1和DRV2為高電流驅(qū)動(dòng)輸出，能夠提供至少2A的灌電流和1A的拉電流。外部柵極電阻可限制1A的拉電流，同時(shí)可通過小二極管旁路柵極電阻，以實(shí)現(xiàn)功率MOSFET的快速關(guān)斷。

10. 偏置電源（(V_{DD})）

(V{DD})是FAN9611的主要偏置源，工作電壓范圍為8V至18V。欠壓鎖定（UVLO）電路監(jiān)測(V{DD})電壓，當(dāng)(V{DD})電壓超過10.0V（±0.5V）時(shí)，設(shè)備啟動(dòng)；當(dāng)(V{DD})電壓低于7.5V（±0.5V）時(shí)，設(shè)備停止工作。

11. 電流感測保護(hù)（CS1、CS2）

FAN9611為每個(gè)功率MOSFET提供獨(dú)立的過流保護(hù)，CS1和CS2引腳的電流感測閾值約為0.2V。內(nèi)部集成了R - C濾波器，可有效濾除前沿電流尖峰。

五、應(yīng)用信息

1. 同步和定時(shí)功能

FAN9611采用復(fù)雜的同步子系統(tǒng)，通過雙通道開關(guān)頻率檢測器測量每個(gè)通道的開關(guān)周期，并將它們的工作相位鎖定為180°異相。通過插入導(dǎo)通延遲來控制相位關(guān)系，確保在所有操作條件下穩(wěn)定運(yùn)行。

2. 重啟定時(shí)器和死相檢測保護(hù)

重啟定時(shí)器是Sync - Lock同步電路的一部分，確保在重啟定時(shí)器操作中實(shí)現(xiàn)精確的180°異相操作。死相檢測保護(hù)可防止在某一相出現(xiàn)故障時(shí)，另一相試圖向負(fù)載提供全功率。

3. 頻率鉗位

頻率鉗位集成到同步系統(tǒng)中，當(dāng)工作頻率受到限制時(shí)，確保精確的180°異相操作。在輕載時(shí)限制開關(guān)頻率可提高效率，但會對功率因數(shù)產(chǎn)生一定影響。

4. 輸出電壓調(diào)整

可根據(jù)負(fù)載或輸入電壓調(diào)整PFC升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，以提高電源的輕載效率。通過監(jiān)測COMP引腳的電壓來確定電源的工作功率，并調(diào)整SS引腳的電壓來實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)整。

5. 相位管理閾值調(diào)整

初始相位管理閾值固定在最大負(fù)載功率水平的約13%和18%，可根據(jù)應(yīng)用需求通過調(diào)整最大導(dǎo)通時(shí)間（使用(R_{MOT})）來向上調(diào)整閾值，以滿足特定的效率要求。

6. 禁用FAN9611

有四種方法可禁用FAN9611，分別是將SS引腳拉至GND、將FB引腳拉至GND、將COMP引腳拉至GND以及將VIN引腳拉至GND。不同方法的響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)過程有所不同，需要根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行選擇。

7. 布局和連接指南

為減少開關(guān)噪聲干擾，高功率應(yīng)用建議使用兩層或更多PCB層。布局時(shí)應(yīng)將高電流輸出和功率地路徑與模擬輸入信號和信號地路徑分開，確保各引腳連接盡可能短而直接。

六、快速設(shè)置指南

FAN9611的配置需要根據(jù)電源規(guī)格和預(yù)計(jì)算的功率級參數(shù)進(jìn)行。具體步驟包括確定輸入電壓范圍、估計(jì)轉(zhuǎn)換效率、計(jì)算最大輸出功率、輸出電容、升壓電感、最大導(dǎo)通時(shí)間等參數(shù)，并根據(jù)這些參數(shù)選擇合適的組件值。

七、典型性能特性

文檔提供了FAN9611在不同溫度和工作條件下的典型性能特性，包括啟動(dòng)電流、工作電流、UVLO閾值、最大導(dǎo)通時(shí)間、誤差放大器跨導(dǎo)、軟啟動(dòng)電流、相位控制閾值等。這些特性有助于工程師在設(shè)計(jì)過程中評估和優(yōu)化電路性能。

八、評估板

FEB388是一款400W的評估板，采用FAN9611設(shè)計(jì)。通過相位管理，即使在額定輸出功率的10%時(shí)，效率仍可保持在96%以上。評估板的效率數(shù)據(jù)表明，相位管理可顯著提高電源在不同負(fù)載下的效率。

九、相關(guān)產(chǎn)品和資源

文檔還介紹了安森美其他相關(guān)的PFC控制器產(chǎn)品，如FAN6961、FAN7527B等。同時(shí)提供了相關(guān)的應(yīng)用筆記和評估板用戶指南，為工程師提供了更多的設(shè)計(jì)參考和技術(shù)支持。

FAN9611交錯(cuò)式雙BCM PFC控制器以其卓越的性能和豐富的功能，為電源設(shè)計(jì)工程師提供了一個(gè)強(qiáng)大的解決方案。通過深入了解其工作原理和應(yīng)用方法，工程師可以更好地設(shè)計(jì)出高效、可靠的電源系統(tǒng)。你在使用FAN9611或其他PFC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。