深度解析L4986：CCM PFC控制器的卓越之选

在电子设备的电源设计领域，功率因数校正（PFC）技术至关重要，它能有效提高电源效率、降低谐波失真。今天，我们就来深入剖析一款高性能的CCM PFC控制器——L4986，探究它在设计中的关键特性和应用优势。

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一、关键特性概览

1. 工作模式与电压启动

• 峰值电流模式CCM：L4986采用峰值电流模式连续导电模式（CCM）操作，能够提供更稳定的电流控制，确保高效的功率转换。
• 800V高压启动：集成800V高压启动功能，同时具备输入电压感应能力，可在高压环境下快速启动，并准确感知输入电压变化，为后续的控制提供基础数据。

  2. 低谐波失真与组件精简

• 低THD表现：独特的专有乘法器“模拟器”以及创新的THD优化器，能在所有操作条件（CCM和DCM）下保证极低的总谐波失真（THD）性能，使电源的输入电流更接近正弦波，减少对电网的干扰。
• 极少外部组件：仅需极少的外部组件，就能实现完整的PFC功能，大大简化了设计复杂度和电路板空间，降低了成本。

  3. 全面保护机制

• 多重保护功能：具备反馈回路故障、过压保护（OVP）、过流保护（OCP）、电感饱和保护、欠压保护（brown - in、brownout）等多种保护功能，其中欠压保护符合医疗开关模式电源（SMPS）标准，能够有效保障电源系统的稳定性和可靠性，减少故障发生的概率。

  4. 其他实用特性

• 软启动功能：通过软启动功能，可在启动过程中平滑增加电感电流峰值，有效限制启动时的浪涌电流，避免对电源和负载造成冲击。
• 开关频率可选：提供65kHz（A版本）和130kHz（B版本）两种开关频率选项，工程师可以根据具体的应用需求和设计要求进行选择，以优化电源性能。
• PGOOD功能：PG_IN是一个可调输入比较器，可用于监测PFC输出电压，并通过PG_OUT引脚输出相应的逻辑信号，方便系统进行电源状态的监控和管理。

二、工作原理剖析

1. 控制模式基础

L4986A/B采用传统的峰值电流模式控制，基于固定关断时间（FOT）控制技术。它通过输出电压控制环将电流检测信号 (V{CS}) 与内部电流参考 (V{CS_REF}) 进行比较，来设定功率开关的导通时间 (T{ON})，以维持输出电压 (V{OUT}) 的稳定调节；同时，利用“OFF - TIME modulator”电路来设定功率开关的关断时间 (T{OFF})，确保在所有工作条件下实现准固定的开关频率 (F{SW})。

2. 电压调节与参考生成

• 跨导误差放大器将输出电压 (V{OUT}) 的一部分通过电阻分压器 (R{3}-R{4}) 引入其反相输入（FB引脚），与连接到同相输入的精确内部参考 (V{REF})（典型值为2.5V）进行比较，生成与它们差值成比例的误差信号 (V_{C})。
• “Vin & multiplier estimator”电路根据 (V{C}) 以及FW和ZCD信号，生成电压 (V{G}(theta)=V{C} K{1} frac{V{I N}(theta)}{V{O U T}})，该电压与输入电压 (V{IN}(theta)) 和控制电压 (V{C}) 成比例，且无需使用标准乘法器块和交流线路感应。

  3. 不同模式下的电流控制

• CCM模式：“THD - DCM optimizer”电路在CCM操作中作为简单增益 (K{2}) 起作用，内部电流参考电压 (V{CS_REF}(theta)^{CCM}=V{G}(theta) K{2}=frac{K{M}}{V{O U T}} V{C} V{I N}(theta))。“THD - CCM optimizer”电路在功率开关导通期间向CS引脚提供电流 (I_{THD_CCM}(theta))，使输入电流呈正弦波，从而实现低THD和高功率因数（PF）的理想效果。
• DCM模式：在DCM操作中，“THD - DCM”优化器块对 (V{G}(theta)) 电压进行适当整形，生成电流参考电压 (V{CS_REF}(theta)^{DCM})，使输入电流同样呈正弦波且与输入电压同相，达到与CCM模式类似的低THD和高PF性能。

  4. 关断时间调制

  L4986内置的新型关断时间调制器能够在所有工作条件下（CCM和DCM操作）实现准固定的开关频率，且不受输入/输出电压、负载条件和转换器寄生参数的影响。当功率开关导通时间结束后，内部开关SW5打开，恒定电流发生器 (I{R}) 对电容 (C{R}) 进行线性充电，产生的电压 (V{RAMP}) 与 “Constant (F{SW})” 电路基于 (T{ON}) 生成的电压 (V{TH_RAMP}) 进行比较。当 (V{RAMP}) 达到 (V{TH_RAMP}) 时，触发器置位，外部功率开关导通，从而根据导通时间信息对关断时间进行调制，保证开关频率的稳定性。

三、关键功能详解

1. 高压启动

• 当HV引脚电压高于 (V{HV_START})（典型值29V）时，高压启动电路开启，开始提供 (I{HV_ON}) 电流（典型值7mA）。该电流扣除启动前的器件消耗 (I{START_UP})（典型值400µA）后，对连接在VCC引脚和地之间的外部旁路电容进行充电，使VCC引脚电压近乎线性上升，直至达到器件开启阈值 (V{CC_ON})（典型值14V）。
• 为保护高压启动电路，在VCC引脚电压低于 (V{CC_SO})（典型值1V）时，(I{HV_ON}) 电流典型值为1mA。当VCC引脚电压达到 (V{CC_ON}) 后，器件开始工作，为确保系统可靠启动，HV电流发生器 (I{HV_ON}) 保持开启，直到输出电压达到编程值的70%（FB引脚高于相应阈值）。此外，如果发生过流请求等情况导致功率消耗过大，HV电流发生器会在 (T_{TOUT}) 超时（典型值100ms）后自动关闭。
• 在启动阶段结束后，系统应保证 (V{CC}>V{CC_OFF})。若VCC引脚电压降至 (V{CC_OFF})，器件将关闭，高压启动电路开启，将VCC引脚电压提升至 (V{CC_ON})，并重新启动操作，同时执行软启动。

2. 输入线放电（X - cap放电功能）

为满足安全法规（如IEC 61010 - 1/IEC 62368 - 1）要求，L4986内置了内部逻辑电路。当检测到设备与电源线断开连接时，经过检测时间 (T{DECT_XCAP})（典型值64ms）后，触发X电容放电操作，开启内部HV电流发生器，从HV引脚吸取至少5mA的放电电流 (I{HV_ON})，将EMI滤波器的X电容放电至安全水平（HV引脚电压降至最大值45V以下），避免使用传统的与X电容并联的放电电阻，从而节省相关功率损耗，实现待机状态下的超低功耗。

3. 软启动

为限制转换器启动时的浪涌电流，L4986采用软启动功能。在 (T{SS_OCP1}) 时间（典型值130ms）内，将第一个过流比较器（OCP1）的参考阈值从零逐步增加到 (V{CS_OCP1})（典型值 - 0.49V），使电感电流峰值从0平稳上升到控制环设定的所需值，以调节输出电压。

4. 无负载运行（突发模式功能）

当 (V{COMP}{COMP_S})（典型值1V）时，为避免轻载或零负载情况下输出电压的不受控上升，器件停止开关活动并降低功耗。当 (V{COMP}>V{COMP_R})（典型值1.05V，且与 (V{COMP_S}) 阈值相关联）时，器件重新启动开关活动。若在门驱动器GD处于“高电平”时触发突发模式条件，器件会完成当前导通时间，然后在GD下降沿后停止系统运行。在突发模式运行期间，系统应保证 (V{CC}>V{CC_OFF})，若VCC引脚电压降至 (V{CC_OFF})，器件将关闭，高压启动电路开启，将VCC引脚电压提升至 (V_{CC_ON}) 并重新启动操作，同时执行软启动。

5. 空闲运行（外部突发模式功能）

可以通过将FB引脚电压强制低于内部阈值 (V{FB_FF/EBM})（典型值500mV）来实现外部突发模式（EBM）。此时，开关活动停止，IC功耗降低（误差放大器也关闭，COMP引脚变为高阻抗）。当FB电压超过 (V{FB_FF/EBM}) 阈值约50mV时，器件将重新启动开关，且不执行软启动。为避免误触发，设置了去抖动时间 (T{FF/EBM_DB})（典型值1.8µs）。在进入EBM状态时，FB引脚会提供一个弱上拉电流 (I{FB_EBM})（典型值100µA），以加快FB电压的上升沿；当FB电压超过 (V{FB_FF/EBM}+50mV) 后，(I{FB_EBM}) 电流从100µA增加到1mA，直至FB引脚电压达到最终目标2.5V（内部 (V{REF})）。使用EBM功能时，建议FB滤波电容 (C{FB}) 的值为3.3nF。

6. 禁用操作（DISABLE功能）

将COMP引脚电压强制低于内部阈值 (V{COMP_DIS})（典型值0.7V），可使器件停止操作并进入低功耗状态。此时，误差放大器关闭，内部激活一个弱上拉电流 (I{COMP_DIS})（典型值10µA）。为避免误触发，设置了去抖动时间 (T{COMP_DIS_DB})（典型值50µs）。当释放外部下拉时，内部上拉电流 (I{COMP_DIS}) 对连接在COMP引脚和地之间的补偿网络充电，使COMP引脚电压上升。当COMP引脚达到启用阈值 (V{COMP_EN})（典型值0.9V）时，器件开启内部HV启动电流发生器，将VCC引脚电压提升至开启阈值 (V{CC_ON})，并重新启动操作，同时执行软启动。在禁用状态下，由于辅助绕组没有能量传输，内部HV启动电路会间歇性开启，以维持器件在 (V{CC_OFF}) 和 (V{CC_ON}) 之间的供电。

7. 电源良好（PGOOD功能）

PG_IN是一个可调输入比较器，用于监测PFC输出电压，并相应地驱动从PGOUT引脚（开漏输出）输出的逻辑信号。当IC开启且FB引脚电压超过内部阈值 (V{PGOOD_ON})（典型值2.375V）时，PG_OUT引脚被主动拉低至地；当PGIN输入电压低于内部阈值 (V{PGOOD_OFF})（典型值1.250V）时，PGOUT引脚设置为高阻抗。为避免误激活或停用，设置了去抖动时间 (T{PGOOD_DB})（典型值50µs）。此外，PGOOD功能还与操作状态相关联，若器件检测到CS断开连接，PGOUT引脚将设置为高阻抗。可以使用与编程输出电压 (V{OUT}) 相同的电阻分压器来实现对输出电压的监测。

四、保护机制大揭秘

1. AC欠压恢复（BI功能）

在启动时，当VCC引脚电压达到开启阈值 (V{CC_ON}) 后，器件通过HV引脚监测交流线路输入电压。若输入电压高于 (V{HVPK_BI}) 欠压恢复阈值（约81Vac），则开始操作。在首次启动后，若发生欠压/欠压恢复循环，一旦检测到欠压恢复，内部HV启动电路将开启，将VCC引脚电压提升至开启阈值 (V{CC_ON})。为避免首次启动时的误触发，设置了去抖动时间 (T{DB_ACBI})，首次启动时典型值为1ms，之后增加到40ms。

2. AC欠压（BO功能）

在正常运行期间，为保护PFC预调节器免受过大致均方根（RMS）电流的影响，当交流线路电压低于 (V{HVPK_BO}) 欠压阈值（约71Vac）至少630ms（见表5电气特性中的 (T{DB_ACBO}) 参数）时，开关活动将停止。

3. 输出过压（OVP功能）

为限制输出电压过冲（例如由于重载释放或轻载启动），当瞬时输出电压 (V{OUT}) 高于编程值的约7%时，器件将停止开关活动。器件通过监测FB引脚来检测过压情况，FB引脚电压与输出电压 (V{OUT}) 的瞬时值成比例，在稳态条件下等于误差放大器的内部参考 (V{REF})（2.5V）。当FB电压超过稳态值7%（(V{FB}>V{FB_S})）时，开关活动停止，直到FB电压回到接近稳态值（(V{FB}{FB_R})）。为避免保护误激活，设置了去抖动时间 (T{DOVP_DB})（典型值50µs）。在OVP条件下，为避免IC意外关闭，当VCC引脚电压低于 (V{CC_HVSTUP_OVP}) 阈值（典型值11.5V）时，内部HV启动电路将开启，将VCC引脚电压提升至开启阈值 (V{CC_ON})。

4. 过流（OCP1功能）

为限制在额外电流请求（例如重载变化）情况下的电感峰值电流，器件采用逐周期过流保护。在功率开关导通期间，器件监测CS引脚电压。当CS引脚电压降至 (V{CS_OCP1})（典型值 - 0.49V）以下时，内部过流比较器触发，在正常PWM电路之前终止功率开关的导通周期，从而将电感峰值电流限制在最大值0.49/ (R{S})。

5. 电感饱和检测（OCP2功能）

设置了第二个过流水平 (V{CS_OCP2})（典型值 - 0.75V），用于检测异常电流值（例如由于升压电感饱和引起的）。若连续两个开关周期出现这种情况，将激活安全程序，立即停止转换器活动，直到电流水平达到零电流阈值（(V{CS_ZCD})）。零电流阈值监测器允许在电源启动、市电电压骤降或缺失周期后发生电流浪涌时进行安全操作，确保仅在过流事件完全结束后才允许开关启动/重新启动。

6. 反馈故障检测

器件能够处理输出电压反馈和输入电流监测的可能断开情况。在启动时，当VCC引脚电压达到开启阈值 (V{CC_ON}) 后，器件会检查FB和CS引脚。若FB引脚电压低于内部 (V{FB_FF/EBM}) 阈值（典型值0.5V），则认为输出分压电阻出现故障（例如 (R{FB_H}) 电阻未安装），器件将停止开关活动并降低功耗，设置去抖动时间 (T{FF/EBM_DB})（典型值1.8µs）以避免误触发；若CS引脚电压高于内部 (V{CSD}) 阈值（典型值200mV），则认为电流检测电阻出现故障（例如 (R{THD_CCM}) 电阻未安装和/或 (R{S}) 电阻烧坏），器件将停止开关活动并降低功耗，要重新启动转换器，需要将 (V{CC}) 在关闭阈值 (V{CC_off}) 和开启阈值 (V{CC_ON}) 之间进行循环，同时设置去抖动时间 (T_{CSD_DB})（典型值10µs）以避免误触发。

五、其他重要信息

1. 线路前馈

为使转换器可提供的最大输出功率相对于交流输入电压基本保持恒定，控制器中集成了两级离散电压前馈功能。通过HV引脚监测交流输入电压，并将其与固定阈值进行内部比较，以适当设置等效乘法器增益 (K{M})（具体细节见表5电气特性）。在交流输入电压低于142Vrms和高于166Vrms时，可保证转换器以正确的 (K{M})