LT1509：高效的功率因数与PWM控制器

在电子工程师的设计工作中，寻找一款能满足复杂需求的功率因数校正（PFC）和脉宽调制（PWM）控制器至关重要。今天，我们就来深入了解一下Linear Technology Corporation的LT1509，它是一款为通用离线开关电源提供的完整解决方案。

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关键特性

集成度高

LT1509将PFC和PWM功能集成在单芯片中，这种高度集成的设计大大简化了电源设计的复杂度，减少了外部元件的使用，降低了成本和电路板空间。

同步性能出色

它能够实现高达300kHz的同步操作，这使得电源在高频下也能稳定工作，提高了电源的效率和性能。

功率因数优异

在20:1的负载电流范围内，功率因数可达99%，这意味着电源能够更有效地利用电能，减少电能的浪费，符合现代节能的要求。

保护功能完善

具备瞬时过压保护和专用的过压保护（OVP引脚），能及时响应过压情况，保护电源和负载设备的安全。同时，它还具有最小的线电流死区，减少了电流失真，提高了电源的稳定性。

低功耗设计

典型启动电源电流仅为250µA，静态电流低至13mA，这使得电源在待机和轻载状态下的功耗极低，延长了设备的续航时间。

驱动能力强

拥有快速的2A峰值电流栅极驱动器，能够快速驱动功率MOSFET，提高了开关速度，减少了开关损耗。

软启动控制灵活

提供独立的软启动控制，可根据不同的应用需求调整启动时间，避免了启动时的电流冲击，保护了电源和负载设备。

应用领域

LT1509适用于通用功率因数校正电源和预调节器，广泛应用于各种电子设备中，如计算机电源、通信电源、工业电源等。

详细解析

工作原理

LT1509的PFC部分与LT1248 PFC控制器类似，但由于PFC和PWM内部同步，取消了EN/SYNC引脚。电流模式PWM部分（LT1508是电压模式的对应产品）包含了将PFC预调节的高压输出转换为隔离低压输出的所有初级侧功能。PWM占空比内部限制在47%（最大50%），以防止变压器饱和。当PFC输出达到预设电压时，PWM软启动开始；在短暂的线路失电情况下，当PFC输出电压降至预设值的73%以下时，PWM将关闭。

电气特性

从电气特性表中可以看出，LT1509在不同的工作条件下都能保持稳定的性能。例如，在欠压锁定状态下，电源电流仅为0.25 - 0.45mA；在正常工作状态下，电源电流为13 - 19mA。VCC开启阈值为15.5 - 17.5V，关闭阈值为9.5 - 11.5V。这些参数为工程师在设计电源时提供了重要的参考依据。

典型性能特性

通过典型性能特性图表，我们可以直观地了解LT1509在不同工作条件下的性能表现。例如，PFC电压放大器和电流放大器的开环增益和相位特性，参考电压与温度的关系，乘法器电流与IAC和VAOUT的关系等。这些特性有助于工程师优化电源设计，提高电源的性能和稳定性。

引脚功能

• GTDR1（引脚1）：PFC MOSFET栅极驱动器，采用快速图腾柱输出，钳位在15V。为防止过冲，需使用至少5Ω的栅极串联电阻。
• GND2（引脚2）：功率地，当GTDR1或GTDR2开关为低电平时，此线路会出现高电流尖峰。
• GND1（引脚3）：模拟地。
• CSET（引脚4）：该引脚到GND的电容和RSET决定振荡器频率，振荡器斜坡为5V，频率计算公式为(frequency = 1.5 / (R{SET} C{SET}))。
• PKLIM（引脚5）：峰值电流限制比较器的阈值为GND。可通过从VREF到电流检测电阻连接电阻分压器来设置电流限制。
• CAOUT（引脚6）：电流放大器的输出，通过命令脉宽调制器来感应并迫使线电流跟随来自乘法器的参考信号。当CAOUT为低电平时，调制器占空比为零。
• ISENSE（引脚7）：电流放大器的反相输入，该引脚通过ESD保护二极管钳位在 - 0.6V。
• MOUT（引脚8）：乘法器的高阻抗电流输出和电流放大器的同相输入，该引脚钳位在 - 0.6V和3V。
• IAC（引脚9）：乘法器的交流线电压感应输入，是一个偏置在2V的电流输入，可最小化由低线电压引起的交叉死区。在该引脚，一个25k电阻与电流输入串联，以便在高线阻抗环境中使用低通RC滤波器滤除来自线路的开关噪声。
• VAOUT（引脚10）：电压误差放大器的输出，输出钳位在13.5V。当输出低于2.5V时，乘法器输出电流为零。
• OVP（引脚11）：过压比较器的输入，阈值为参考电压的1.05倍。当比较器触发时，乘法器迅速抑制，使PFC开关空白，以防止进一步过冲。该引脚也是PWMOK比较器的输入，当PFC输出接近最终电压时，释放PWM软启动（SS2）。
• VREF（引脚12）：7.5V参考电压，当VCC变低时，VREF保持在0V。VREF为大多数内部电路提供偏置，并可向外提供高达5mA的电流。
• VSENSE（引脚14）：电压放大器的反相输入。
• SS1（引脚16）：软启动，当VCC低于锁定阈值时，SS1复位为零；当VCC高于锁定阈值时，SS1由内部12µA电流源和外部电容控制，以一定速率上升。在上升过程中，PFC参考电压等于SS1电压；当SS1超过7.5V时，参考电压保持在7.5V。
• VCC（引脚17）：芯片电源，需要良好的电源旁路，由一个0.1µF陶瓷电容和一个低ESR电解电容（56µF或更高）并联，靠近IC GND。
• SS2（引脚13）：PWM软启动，PWMOK比较器监测OVP引脚，当PFC输出接近预设电压时，释放SS2。
• VC（引脚18）：PWM电流模式控制电压，通常连接到光耦放大器输出，有一个50µA的上拉电流流出该引脚。
• RAMP（引脚19）：PWM电流模式电流检测输入，电流限制设置为1V。
• GTDR2（引脚20）：PWM MOSFET栅极驱动器，是一个1.5A快速图腾柱输出，钳位在15V。为防止过冲，需使用至少5Ω的栅极串联电阻。

应用信息

电压误差放大器

电压误差放大器具有100dB的直流增益和3MHz的单位增益频率。输出内部钳位在13.3V（VCC = 18V时），当VCC小于12V时，最大误差放大器输出电压降至(V_{CC} - 1.5V)。其非反相输入通过二极管连接到7.5VREF，并可通过SS1引脚下拉。通过合理选择电阻和电容的值，可以实现对电压环的补偿，提高电源的稳定性和精度。

电流放大器

电流放大器具有110dB的直流增益、3MHz的单位增益频率和2V/µs的压摆率，内部钳位在8.5V。在电流平均操作中，为了最小化线电流失真，需要在两倍线频率处具有高增益。同时，为了避免次谐波振荡，电流放大器在开关频率处的增益不能过高。

乘法器

乘法器具有高抗噪性和出色的线性度，其电流增益计算公式为(I{M}=(I{AC} I{EA}^{2}) / (200 mu A^{2}))，其中(I{EA}=(VA{OUT} - 2V) / 25k)。为了避免将开关频率噪声引入乘法器，需要在IAC引脚使用低通滤波器。乘法器的最大输出电流由RSET引脚到GND1的电阻决定，计算公式为(I{M(MAX)} = 3.75V / R_{SET})。

振荡器频率和最大线电流设置

振荡器频率由RSET和CSET决定，计算公式为(f{OSC} = 1.5 / (R{SET} C_{SET}))。在稳态操作中，通过合理选择RS的值，可以使输入电流跟随输入线电压，保持恒定的母线电压。同时，LT1509还提供了第二个独立的电流限制比较器，用于进一步保护电源。

过压保护

由于功率因数校正需要较慢的环路响应，在突然负载减少或移除时，可能会出现输出过冲。LT1509通过过压比较器来检测输出电压，并迅速减少线电流需求，以保护下游组件。此外，为了在无负载或轻负载条件下调节输出电压，放大器M1会在VAOUT降至2.2V时提供电流，以抵消负的Vos，保持输出电压误差在2V以内。

欠压锁定和软启动

LT1509在VCC达到16V时启动，直到VCC降至10V以下才会进入锁定状态。在锁定状态下，振荡器关闭，VREF和栅极驱动器引脚保持低电平。通过SS1和SS2引脚的软启动控制，可以避免启动时的电流冲击，保护电源和负载设备。

启动和电源电压

在芯片启动前，LT1509仅消耗250µA的电流。可以通过从电源线到VCC连接一个91k电阻来提供涓流启动电流，C4在开关启动时保持VCC。启动后，辅助绕组接管并提供工作电流。

输出电容

GTDR2（PWM）脉冲与GTDR1（PFC）脉冲同步，延迟53%的占空比，以减少输出电容中的RMS纹波电流。输出电容的选择需要考虑电压纹波、保持时间和纹波电流等因素。

PWM比较器

LT1509的PWM部分包含两个比较器，实现峰值电流模式控制。通过RAMP引脚和VC引脚的设置，可以控制初级峰值电流水平。片上消隐功能可以避免由于前沿噪声引起的复位。

典型应用

图9展示了一个24VDC、300W的功率因数校正通用输入电源。该电源采用2晶体管正激变换器，具有低峰值电流、无耗散缓冲器、500VDC开关和自动磁芯复位等优点。通过使用LT1509的50%最大占空比保证了磁芯的复位。同时，通过光耦和参考放大器实现了从次级侧到初级侧的闭环控制，使输入电流跟随输入线电压，保持恒定的母线电压。

总结

LT1509是一款功能强大、性能优异的功率因数与PWM控制器，它为电子工程师提供了一个高效、可靠的电源设计解决方案。在实际应用中，工程师可以根据具体的需求和设计要求，合理选择外部元件，优化电路参数，以实现最佳的电源性能。你在使用类似的控制器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。