400W FOT 控制 PFC 预调节器设计解析

在电源设计领域，功率因数校正（PFC）预调节器是提升电源效率、减少谐波污染的关键组件。今天，我们就来深入探讨基于 L6563S 控制器的 400W FOT 控制 PFC 预调节器的设计与测试。

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一、引言

本次介绍的 EVL6563S - 400W 演示板，以 L6563S 过渡模式 PFC 控制器为核心，实现了 400W 宽范围市电输入的 PFC 预调节功能。它适用于 ATX 电源、平板显示器等设备，通过固定关断时间（FOT）控制，让原本在该功率级别使用受限的 L6563S 能够稳定工作，实现连续导通模式（CCM）运行。

二、主要特性与电路描述

1. 演示板特性

• 电压与频率范围：输入线电压范围为 90 - 265Vac，最低线频率为 47Hz。
• 输出参数：调节后的输出电压为 400V，额定输出功率 400W，最大 2fL 输出电压纹波 10V pk - pk，保持时间 22ms。
• 其他特性：最大环境温度 50°C，EMI 符合 EN55022 Class - B 标准，采用单面 70µm、CEM - 1 材质的 PCB，尺寸为 148.5 x 132mm，组件最大高度 35mm。

2. 电路设计

• PFC 控制器：L6563S 集成了控制 PFC 阶段和与下游转换器接口所需的所有功能。通过固定关断时间控制，使升压电感工作在 CCM 模式，结合了过渡模式（TM）操作的简单性和成本效益以及 CCM 操作的高电流能力。
• 功率级：采用传统的升压转换器，包括线圈 L4、二极管 D3 和电容器 C6、C7。功率 MOSFETs Q1 和 Q2 作为升压开关，NTC R2 用于限制开机时的浪涌电流。
• 供电与控制：启动时，L6563S 由 Vcc 电容（C12）供电，通过电阻 R3 和 R4 充电，正常运行时由 L4 次级绕组和电荷泵电路提供 Vcc 电压。多个分压器为 L6563S 提供瞬时电压信息，用于调制升压电流和保护电路。

三、测试结果与重要波形

1. 谐波含量测量

演示板在满载和 70W 输出功率下，根据欧洲规则 EN61000 - 3 - 2 Class - D 和日本规则 JEITA - MITI Class - D 进行测试。结果表明，从满载到轻载，电路都能将谐波降低到规定限值以下。

2. 电感电流与 THD 优化

在不同市电电压下，电感电流波形与 CCM PFC 相似。L6563S 内置的 THD 优化器能减少交流输入电流在零交叉附近的导通死角，降低电流的总谐波失真（THD）。为了充分发挥优化器的作用，应尽量减小桥式整流器后的高频滤波电容。

3. 电压前馈功能

L6563S 集成的电压前馈电路能实现快速瞬态响应，无论市电电压是浪涌还是下降，都能保证预调节器输出的稳定，减少过冲和欠冲。与没有前馈补偿的系统相比，具有更低的稳态纹波和电流失真。

4. 启动与运行

启动时，Vcc 电压上升到开启阈值，L6563S 开始工作。能量先由 Vcc 电容提供，随后辅助绕组和电荷泵电路接管。良好的补偿网络相位裕度确保了启动过程平稳，无大的过冲。

5. 欠压保护

L6563S 的 RUN 引脚可实现欠压保护功能。当检测到市电欠压时，该引脚会停止 L6563S 的运行，保护 PFC 免受异常操作的影响。

6. 轻载启动

演示板能正常处理低至 12W 的输出负载。当负载更低时，在高电压输入下系统可能无法正常启动。若 L6563S 由外部电源供电，最小可处理负载几乎为零。

四、布局提示

合理的布局对于电源转换器至关重要。在设计 EVL6563S - 400W 演示板时，应遵循以下布局规则：

• 分离功率和信号 RTN，将高电流组件的返回引脚连接在一起。
• 尽量缩短与 L3、升压电感 L4、MOSFET 漏极、升压整流器 D4 和输出电容器 C6、C7 相关的走线长度。
• 将信号组件靠近 L6563S 的相关引脚，缩短与引脚 #1（INV）相关的走线。
• 将散热器连接到电源 GND，为升压电感添加外部屏蔽并连接到电源 GND。
• 将信号组件的 RTN 连接到 L6563S 的引脚 #12（GND）附近。
• 在 L6563S 的引脚 #14（Vcc）和引脚 #12（GND）之间连接陶瓷电容，并将该点连接到 RTN 的起始点。

五、可听噪声与热措施

1. 可听噪声

PFC 电路中的差模电流可能会因工作频率和市电频率的互调产生可听噪声。为避免这种情况，应正确缠绕升压和滤波电感，选择合适的电容器，并在桥式整流器和升压电感之间插入差模 Pi 滤波器。

2. 热措施

通过红外相机进行热映射测试，结果显示在名义输入电压和满载条件下，所有板载组件都在其温度限制范围内运行。

六、传导发射预合规测试与物料清单

1. 传导发射测试

在满载和标称市电电压下进行传导噪声峰值测量，结果表明测试值与 EN55022 Class - B 标准的限值有良好的裕度。

2. 物料清单

文档提供了 EVL6563S - 400W 演示板的详细物料清单，包括电容器、二极管、电阻器、电感器、MOSFET 等组件的型号、规格和供应商信息。

七、PFC 线圈规格

1. 一般描述与特性

PFC 线圈适用于消费类和家电应用，采用开放式电感，垂直型线圈骨架，6 + 6 引脚。最大温度上升 45°C，最大工作环境温度 60°C。

2. 电气特性

采用升压 PFC 预调节器拓扑，FOT 控制，核心类型为 PQ40 - 30，材料等级为 PC44 或等效。最大工作频率 100kHz，初级电感 500µH ± 10%，初级 RMS 电流 4.75A。

3. 机械方面与引脚编号

线圈最大高度 31mm，采用两个对称的半芯，PQ40 - 30 材料。中央腿气隙需根据所需电感值确定，引脚间距 5mm，行间距 45.5mm，切割引脚为 9 - 12，外部铜屏蔽不绝缘，连接到引脚 11（GND）。

综上所述，基于 L6563S 的 400W FOT 控制 PFC 预调节器在性能、功能和布局等方面都有出色的表现。在实际设计中，工程师们可以参考这些特性和测试结果，优化电源设计，提高电源的效率和可靠性。大家在设计类似的 PFC 电路时，有没有遇到过什么特别的问题呢？欢迎在评论区分享交流。