FAN4800AU/CU PFC/PWM 控制器组合：设计与应用详解

一、引言

在电子电源设计领域，PFC（功率因数校正）和 PWM（脉冲宽度调制）控制器对于提高电源效率、优化性能至关重要。FAN4800AU/CU 作为一款高度集成的 PFC/PWM 控制器组合，为电源设计带来了诸多优势。本文将深入探讨 FAN4800AU/CU 的特性、应用、电气特性以及功能原理，为电子工程师在电源设计中提供全面的参考。

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二、产品概述

2.1 兼容性与特性

FAN4800AU/CU 引脚对引脚兼容于 ML4800、FAN4800、CM6800 和 CM6800A，具有广泛的适用性。其特性包括：

• PWM 可针对电流模式或前馈电压模式运行配置，灵活性高。
• 在一个 IC 中具有内部同步的前沿 PFC 和后沿 PWM，实现高效的功率转换。
• 低工作电流，降低功耗。
• 创新型开关电荷乘法器除法器，优化输入电流整形。
• 具备多种保护功能，如 PFC 过压和欠压保护、PFC 反馈开环保护、PFC/PWM 的逐周期限流保护等。
• 启动时序控制和软启动，确保电源平稳启动。
• 线电压聚降保护，增强系统稳定性。

2.2 应用领域

FAN4800AU/CU 适用于多种电源应用，包括台式 PC 电源、因特网服务器电源、LCD TV/显示器电源、不间断电源、电池充电器、直流电机电源、显示器电源、电信系统电源和分布式电源等。

三、评估与更换流程

若要评估 FAN4800AU/CU 以更换现有的 FAN4800A/C、FAN4800AS/CS、旧版 FAN4800 和 ML4800 电路板，必须在执行微调流程之前完成 6 项任务：

1. 电阻调整：将 (R_{AC}) 电阻从旧值改为较高的阻值，范围为 6 MΩ 至 8 MΩ。
2. RT/CT 引脚参数调整：将 RT/CT 引脚从现有值改为 (R{T}=6.8 k Omega) 和 (C{T}=1000 pF)，以便 (f{PFC}=64 kHz) 且 (f{PWM}=64 kHz)。
3. VRMS 电压调整：对于线路输入介于 (85 ~V{AC}) 到 270 VAC 之间的通用输入应用，在 (V{IN}=85 ~V_{AC}) 时，VRMS 需要是 1.224 V。
4. 滤波电路调整：将 ISENSE 引脚滤波电路从现有值改为 (R{Filter }=51 Omega) 和 (C{Filter }=0.01 mu F)，以提高带宽。
5. VVEA 电压调整：在满负载时，平均 VVEA 必须在 ~4.5 V 左右并且 VVEA 纹波需要小于 400 mV。
6. 软启动电流调整：对于 SS 引脚，软启动电流已降至 FAN4800 电容的一半。

3.1 FAN4800AS/CS 与 FAN4800AU/CU 的差异

• 添加线路聚降保护，增强系统在低电压情况下的稳定性。
• 解决 AC 周期下降测试期间电感电流不稳定的问题，提高电源的可靠性。

四、订购信息

器件编号	工作温度范围	PFC:PWM 频率比	封装	包装方法
FAN4800AUN	-40°C 至 +105°C	1:1	16 - 引脚双列直插式封装 (DIP)	塑料管
FAN4800CUN	-40°C 至 +105°C	1:2	16 - 引脚双列直插式封装 (DIP)	塑料管
FAN4800AUM	-40°C 至 +105°C	1:1	16 - 引脚小尺寸封装 (SOP)	卷带和卷盘
FAN4800CUM	-40°C 至 +105°C	1:2	16 - 引脚小尺寸封装 (SOP)	卷带和卷盘

五、引脚配置与定义

5.1 引脚配置

FAN4800AU/CU 采用 16 引脚封装，其引脚配置如图 6 所示。

5.2 引脚定义

引脚号	名称	说明
1	IEA	PFC 电流放大器输出，用于确定 PFC 栅极驱动的脉冲宽度。
2	IAC	输入 AC 电流，提供乘法器的电流参考。
3	ISENSE	PFC 电流检测，用于 PFC 电流放大器和比较器。
4	VRMS	线路电压检测，用于 PFC 乘法器。
5	SS	PWM 软启动，控制 PWM 启动过程。
6	FBPWM	PWM 反馈输入，用于 PWM 级电压环路反馈控制。
7	RT/CT	振荡器 RC 定时连接，设定振荡器频率。
8	RAMP	PWM RAMP 输入，在不同模式下有不同作用。
9	ILIMIT	PWM 的峰值电流限制设置。
10	GND	接地。
11	OPWM	PWM 栅极驱动，驱动 PWM MOSFET。
12	OPFC	PFC 栅极驱动，驱动 PFC MOSFET。
13	VDD	电源引脚，启动和关断有特定阈值电压。
14	VREF	参考电压，提供内部 7.5 V 参考电压。
15	FBPFC	PFC 电压反馈输入，用于 PFC 电压环路。
16	VEA	PFC 电压放大器的输出，连接补偿电路。

六、绝对最大额定值与推荐工作条件

6.1 绝对最大额定值

应力超过绝对最大额定值可能会损坏器件，因此在设计时需严格遵守。例如，电源电压 DC（(V{DD})）最大值为 30 V，输入 AC 电流（(I{AC})）最大值为 1 mA 等。

6.2 推荐工作条件

为确保器件的最佳性能，飞兆半导体建议在推荐工作条件下使用。工作环境温度（(T_{A})）范围为 -40°C 至 +105°C。

七、电气特性

在 (V{DD}=15 ~V)、(T{A}=25^{circ} C)、(T{A}=T{J})、(R{T}=6.8 k Omega) 且 (C{T}=1000 pF) 的条件下，FAN4800AU/CU 具有一系列电气特性，包括启动电流、工作电流、振荡器频率、参考电压等。例如，启动电流（(I{DD - ST})）典型值为 30 μA，工作电流（(I{DD - OP})）典型值为 2.6 mA。

八、典型特性

FAN4800AU/CU 的典型特性图展示了其在不同参数下的性能变化，如 (IDD - ST) 与温度的关系、(fosc) 与温度的关系等。这些特性图有助于工程师在不同工作条件下评估器件性能。

九、功能说明

9.1 振荡器

内部振荡器频率由 RT/CT 引脚上的定时电阻和电容决定，公式为 (f{osc }=frac{1}{0.56 cdot R{T} cdot C{T}+360 C{T}})。PFC 和 PWM 级的工作频率是振荡器频率的 1/4（对于 FAN4800CU，PFC 和 PWM 级的工作频率分别是振荡器频率的 1/4 和 1/2）。PFC 栅极驱动信号的死区时间由 (t{DEAD}=360 C{T}) 确定，应比开关周期的 2% 更短，以减少线路过零附近的线路电流失真。

9.2 增益调制器

增益调制器是 PFC 级电路的关键电路，其输出电流是 (VEA)、IAC 和 VRMS 的函数。该增益与 (VRMS) 成反比，用于实现线路电压前馈，确保 PFC 转换器的输入功率不随线路电压变化。

9.3 升压电路电流控制

FAN4800AU/CU 采用电流控制环路和电压控制环路实现功率因数校正。电流控制环路基于 IAC 引脚处获得参考信号对电感器电流进行整形，同时具有逐脉冲限流比较器，防止 PFC 开关过流。

9.4 升压电路电压控制

电压控制环路使用内部误差放大器调节 PFC 输出电压，使 FB 电压与 2.5 V 内部参考电压相同。

9.5 掉电保护

内置欠压保护比较器监控 VRMS 引脚电压，当 VRMS 引脚电压低于 1.05 V 时，PFC 级电路关断；当 VRMS 电压增至超过 1.9 V 时，升压级电路开启。

9.6 TriFault Detect™

该技术用于提高电源可靠性，减少系统元件数量，并易于符合 UL 1950 安全标准。通过监控 FBPFC 电压，防止电源出现与输出反馈相关的故障。

9.7 PWM 电路

PWM 级电路支持电流模式或电压模式运行。在电流模式下，PWM 斜坡直接从输出级电路初级端的电流检测电阻或电流互感器获得；在电压模式下，RAMP 可连接至单独的 RC 定时电路，使用来自 PFC 总线的电压前馈有助于改善线路瞬变响应。

9.8 PWM 限流

ILIMIT 引脚是 PWM 部分逐周期限流器的直接输入，当该引脚输入电压超过 1 V 时，PWM 输出被禁用，直至下一个 PWM 时钟周期开始。

9.9 (V_{IN }) OK 比较器

该比较器监控 PFC 级电路输出，当输出电压低于 2.4 V 时，抑制 PWM 级电路；当输出电压超过 2.4 V 时，PWM 电路开始软启动；当 FBPFC 电压跌至低于 1.3 V 时，PWM 级关断。

9.10 PWM 软启动 (SS)

PWM 启动受控于软启动电容器，一个 10 μA 的电流源提供电容器软启动的充电电流，直到软启动电容电压达到 1.5 V，PWM 才会启动。

9.11 AC 线路掉电

FAN4800AU/CU 的设计确保 PFC 部分的运行不会被 AC 线路掉电扰乱，通过运行受限增益调制器，即使 AC 线路从掉电中恢复，也能确保稳定的 PFC 运行。

9.12 线路聚降保护

当线路聚降至低于正常工作范围时，PFC 部分保持运行，直至触发欠压保护。有两种条件可以触发线路聚降保护功能，一旦触发，PWM 和 PFC 就会停止运行，直至 VRMS 增至超过 1.9 V。

十、总结

FAN4800AU/CU PFC/PWM 控制器组合以其高度集成的特性、丰富的保护功能和灵活的运行模式，为电源设计提供了强大的支持。电子工程师在设计电源时，可以根据具体应用需求，合理选择 FAN4800AU/CU，并结合其电气特性和功能原理，优化电源性能。同时，在使用过程中，需严格遵守绝对最大额定值和推荐工作条件，确保器件的可靠性和稳定性。你在电源设计中是否有使用过类似的控制器呢？欢迎分享你的经验和见解。