NCP1654的控制策略学习

前言：
 

  NCP1654是一颗久经市场考验的PFC控制器，广泛应用在500~2KW的CCM PFC应用，仅为8脚SOCI封装，控制器外部可调参数极少，性能却很优秀，非常值得我们学习它的核心控制策略。

 

 

PRINCIPLE OF NCP1654 SCHEME

 

上图32展示了电感电流在CCM的波形，其中在t1阶段电流上升，t2阶段电流下降，可以推导出这种模式的电压转换比例：
 

 

  输入电容器Cfilter和前端EMI滤波器能把高频开关电流IL变为低频工频电流IL-50，也就是AC输入电流。IL-50以50/60HZ频率工作，从公式1和公式2可以得到输入阻抗Zin为：

 

  当输入阻抗Zin以恒定或以50/60HZ小幅度变化时就可以实现功率因数校正的功能。

 

 

  PFC的调整方法和时序波形可见图33所示，其中MOSFET导通时间为t1，它由参考电压VREF和斜坡电压Vramp相等时决定，eq4所示：
 

 

Vramp为内置的PWM斜坡电压，它由Ich电流源对Cramp充电产生，并在Clock电容放电而复位到零。在系统控制原理上Ich这个电流源的大小与输入电压的幅度存在正比例关系。
 

Vm 是乘法器的输出电压，内部乘法器是电流源输出，在外部电阻Vm产生电压并由Cm做低通滤波处理。

Ich是内部充电电流源
 

Cramp是内部的电容器
 

Vref是电压环内部产生的参考电压，它送到PWM比较强的负向端，
 

  乘法器的输出在t1阶段关系为VREF减去在t1决断Ich为Cramp电容充电的电压：
 

 

综合eq3,eq6可以把输入阻抗Zin写为：
 

 

  在eq7中Vref和Vout在稳态时都是恒定值，乘法器输出电压Vm被            设计为正比例与IL-50，以实现PFC目的。

 

  可见图34所示，Vm原始信号是电感电流IL上的开关纹波，因为开关纹波不够准确会导致占空比异常，也就是峰值电流模式。为了解决这个问题，在乘法器外部增加一个高频滤波电容，滤除高频纹波得到Vm的平均值，则调制方法变为了平均电流模式，从而具有更好的性能。
 

 

乘法器电压由下式决定：
 

 

Rm是乘法器外部连接的电阻，RM直接决定了最大的输入功率
 

Vbo是AC输入电压的RMS值
 

Ics是电感电流IL的采样值
 

Vcontrol是电压环的输出电压
 

 

 

图38是电压环的OTA运放，Vout是PFC输出电压的采样，电压环的输出Vcontrol决定了系统的功率输出水平。

 

规格书中的其它东西就与控制方法关系不大了，这里梳理一下这种PFC控制方法的实现：它把固定ramp与VREF比较产生的固定占空比上增加了乘法器的输出VM的影响，当VM被控制为正弦时，PWM上产生占空比也是在开环占空比叠加了VM的影响，这是这里起到了PFC的效果。乘法器中把电感电流和电压环建立起关系，其中电压环的输出做法除数，当负载变化时电压环输出减小为了Vm的电压恒定（因此VREF固定），输入电流也会跟随着减小。

  这种控制方法的关键公式是eq7，这里推导出只要把Vm的波形与IL-50一致就可以保证输入阻抗是恒定的，实现PFC的目的。另外在eq8，把电压环输出和电感电流采样联系起来。已知在系统稳态工作时，电压环的输出是固定值，因此eq8实际上就是等于电感电流采样和电网电压前馈的意义。那么eq7和eq8如何来控制到相等呢？我之前一直是没想通，因为这里没有传统CCM PFC的电流内环的控制器，它这里如何实现IL-50与Vm相等的闭环？答案就是PWM比较器逻辑，Vramp与Vm叠加后，与VREF比较。在Vramp与Vref的开环占空比上叠加了电感电流的波形后，在正弦波波的两边占空比大，中间占空比小，整个AC周期内占空比以AC波形反方向变化占空比，以峰值比较的方式来实现高增益电流内环，其效果不比使用运放的平均电流模式内环效果差。
 

 

 

 

 

 

 

 

 

控制：
 

 

 

 

  小结：以NCP1654规格书为参考了解了这种控制输入阻抗恒定的实现PFC的方法，其内环以电感电流平均值比较的方式实现高增益内环，实现了极高的PFC效果。