基于L6563H的100W过渡模式PFC预调节器设计与测试

引言

在当今的电子设备中，功率因数校正（PFC）技术对于提高能源效率、减少电网谐波污染至关重要。本文将详细介绍一款基于L6563H过渡模式PFC控制器的100W演示板，包括其主要特性、电路设计、测试结果以及一些关键的设计要点。这款演示板适用于镇流器、适配器、平板显示器等各种开关模式电源（SMPS），能够满足IEC61000 - 3 - 2或JEITA - MITI等相关标准。

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主要特性与电路描述

特性参数

该开关模式电源（SMPS）具有以下主要特性：

• 输入电压范围：90至265Vac
• 最低线频率：47Hz
• 输出电压：400V
• 额定输出功率：100W
• 最大2fL输出电压纹波：20V pk - pk
• 保持时间：10ms（保持时间后电压下降至300V）
• 最低开关频率：40kHz
• 最低估计效率：92%（Vin = 90Vac，Pout = 100W）
• 最高环境温度：50°C
• PCB类型和尺寸：单面，35µm，CEM - 1，90 x 83mm

电路设计

1. PFC功率级：采用传统的升压转换器，连接到整流桥D1的输出。由线圈L2、二极管D3和电容器C6组成。功率MOSFET Q1作为升压开关。NTC电阻R1用于限制开机时的浪涌电流，连接在直流母线上，与输出电解电容器串联，以提高低线电压运行时的效率。
2. 启动电路：启动时，L6563H由电解电容器C11供电，C11通过高压启动（HVS）引脚#9充电。HVS引脚能承受700V，直接连接到整流后的市电电压。内部0.85mA（典型值）的电流源为C11充电，直到Vcc引脚达到启动阈值。正常运行时，L2的次级绕组和电荷泵电路（C7、R4、D4和D5）为L6563H提供Vcc电压。
3. 电压反馈与调节：分压器R9、R12、R17和R19为L6563H的乘法器提供瞬时市电电压信息，用于调制升压峰值电流。电阻R2、R8、R10、R13和R14用于检测输出电压，并反馈给L6563H以调节输出电压。C9、R18和C8构成误差放大器补偿网络，以保持所需的环路稳定性。
4. 电流检测：峰值电流由与MOSFET串联的电阻R25和R26检测，信号通过由R24和C15组成的滤波器输入到L6563H的引脚#4（CS）。
5. 电压前馈与欠压保护：C13、R27和R32连接到引脚#5 VFF，完成内部峰值保持电路，提供与市电RMS电压成比例的信息。该电压信号用于补偿控制环路增益对市电电压的依赖性。引脚#12 RUN通过电阻分压器R27和R32连接到引脚#5 VFF，提供欠压保护的电压阈值。
6. 输出电压监测：分压器R3、R6、R11和R15为L6563H的引脚#7（PFC_OK）提供输出电压信息。当引脚#7电压超过2.5V时，IC停止开关；当电压低于2.4V时，重新启动。若INV引脚电压同时低于1.66V（典型值），则认为反馈故障，设备锁存关闭。此外，当引脚#7电压低于0.23V时，L6563H关闭；高于0.27V时，重新启动，可作为远程开关控制输入。

测试结果与重要波形

功率因数与THD

测试结果表明，该演示板在不同输入电压和负载条件下均能实现较高的功率因数和较低的总谐波失真（THD）。L6563H内置的THD优化器能有效减少交流输入电流在零交叉附近的导通死区，从而降低电流的THD。为了充分发挥THD优化器的作用，应尽量减小整流桥后的高频滤波电容。

电压前馈与欠压功能

电压前馈功能可以补偿PFC预调节器功率级增益随输入电压的变化，提高系统的动态性能。L6563H采用了创新的电压前馈技术，能够快速响应市电电压的变化，避免输出电压的过大过冲和欠冲。欠压保护功能通过内部比较器检测输入市电电压，当检测到欠压时，关闭设备以保护系统。

启动操作

L6563H的高压启动功能在启动时通过内部高压电流源为C10和C11充电，直到达到启动阈值。启动后，变压器辅助绕组为IC供电。启动过程中，输出电压从整流后的市电峰值上升到PFC输出电压的标称值，补偿网络的良好裕度确保了启动过程的平稳，无大的过冲。

PFC_OK引脚与反馈故障保护

PFC_OK引脚用于监测输出电压。当输出电压异常时，该引脚可触发相应的保护机制，如停止开关或锁存关闭设备。在反馈故障（开环）情况下，设备将被锁存关闭，需要重新循环Vcc才能恢复正常运行。

TBO（跟踪升压选项）

通过在引脚#6（TBO）连接电阻RT，可以实现TBO功能。该功能允许PFC输出电压随输入电压的变化而跟踪调节，提高了电路的效率，并可减小升压电感的数值。

电源管理与内务功能

L6563H提供了多个引脚用于协调PFC级和级联DC - DC转换器的操作。PWM_LATCH引脚用于在PFC失去对输出电压的控制时锁存关闭级联DC - DC转换器的PWM控制器；RUN引脚可用于在轻载时关闭L6563H，以降低电源的空载输入功耗；PWM_STOP引脚用于抑制PFC级和级联DC - DC转换器的PWM活动。

布局提示

1. 电源和信号返回分离：将承载大电流的组件（如输入滤波器、检测电阻或输出电容器）的返回引脚尽可能靠近连接，形成RTN星点。下游转换器应连接到该返回点。
2. 减小关键走线长度：尽量减小与升压电感、MOSFET漏极、升压整流器和输出电容器相关的走线长度。
3. 信号组件靠近引脚：将信号组件尽可能靠近L6563H的相关引脚。特别是，使与引脚#1（INV）网络相关的走线尽可能短。与误差放大器相关的组件和走线应远离携带高dV/dt信号的走线和连接，如MOSFET漏极。对于高功率转换器或非常紧凑的PCB布局，可能需要在引脚#8（PWM_LATCH）和引脚#14（GND）之间连接一个10nF的电容器，以减少该引脚在高阻抗状态下拾取的噪声。
4. 散热片连接：将散热片连接到电源地。
5. 电感屏蔽：为升压电感添加外部屏蔽，并将其连接到电源地。
6. 信号组件返回连接：将包括反馈、PFC_OK和MULT分压器在内的信号组件的返回端靠近L6563H的引脚#14（GND）连接。
7. Vcc电容连接：在引脚#16（Vcc）和引脚#14（GND）之间靠近L6563H连接一个陶瓷电容器（100÷470nF），并将该点连接到RTN星点。

EMI滤波与传导EMI预合规测量

PFC电路通常会产生显著的差模噪声。为了满足EMI标准，可尝试增加跨线（X）电容器或整流桥后的电容器C5，这比增加共模滤波器线圈的尺寸更有效且成本更低。通过比较相线和中性线的测量频谱，可以判断电路受共模还是差模噪声的影响。测试结果表明，在所有测试条件下，测量值与EN55022 Class - B标准的限值之间有良好的裕度。

PFC线圈规格

一般描述与特性

• 应用：消费类、家用电器
• 变压器类型：开放式
• 线圈骨架：垂直型，6 + 6引脚
• 最大温度上升：45°C
• 最大工作环境温度：60°C
• 市电绝缘：不适用
• 单元表面处理：清漆

电气特性

• 转换器拓扑：升压，过渡模式
• 核心类型：PQ26/20 - PC44
• 最小工作频率：40kHz
• 典型工作频率：120kHz
• 初级电感：520µH ± 10%（1kHz - 0.25V）
• 峰值初级电流：4.2Apk
• RMS初级电流：1.4Arms

绕组特性

引脚	绕组	RMS电流	匝数	线类型
5 - 9	初级（1）	1.4A RMS	57.5 - fit	多股#7 x φ 0.20mm
11 - 3	辅助（2）	0.05A RMS	5.5 - spaced	φ 0.28mm

总结

本文介绍的基于L6563H的100W过渡模式PFC预调节器演示板具有良好的性能和稳定性。通过合理的电路设计、优化的布局和有效的EMI滤波，该演示板能够满足各种应用的需求，并符合相关的标准。在实际设计中，工程师可以根据具体的要求对电路进行调整和优化，以实现最佳的性能。你在设计类似的PFC电路时，是否也遇到过一些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验。