100W 过渡模式 PFC 预调节器：L6563S 的卓越应用

在当今的电子设备中，功率因数校正（PFC）技术对于提高电源效率、减少谐波污染至关重要。本文将深入介绍基于过渡模式 PFC 控制器 L6563S 的 100W 演示板，探讨其特性、电路设计、测试结果以及相关注意事项。

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一、L6563S 演示板概述

这个演示板实现了一个 100W 的宽范围市电输入 PFC 预调节器，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 法规要求。L6563S 是一款工作在过渡模式（TM）的电流模式 PFC 控制器，内置高压启动电路。

主要特性

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

二、电路描述

功率级

PFC 的功率级是一个传统的升压转换器，连接到整流桥 D1 的输出。它由线圈 L2、二极管 D3 和电容器 C6 组成，升压开关由功率 MOSFET Q1 表示。NTC R1 用于限制开机时的浪涌电流，连接在直流母线与输出电解电容器串联，以提高低线电压运行时的效率。

启动与供电

启动时，L6563S 由通过电阻 R7 和 R16 充电的电容器 C11 供电。正常运行时，L2 次级绕组和电荷泵电路（C7、R4、D4 和 D5）产生 Vcc 电压为 L6563S 供电。L2 次级绕组还通过电阻 R5 连接到 L6563S 的引脚 #11（ZCD），为内部逻辑提供 L2 去磁信息，触发新的开关周期。

电压检测与反馈

• 瞬时市电电压：分压器 R9、R12、R17 和 R19 为 L6563S 乘法器提供瞬时市电电压信息，用于调制升压峰值电流。
• 输出电压：电阻 R2、R8、R10 与 R13 和 R14 用于检测输出电压，并反馈给 L6563S 以调节输出电压。C9、R18 和 C8 构成误差放大器补偿网络，确保所需的环路稳定性。

峰值电流检测

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 L6563S 的引脚 #4（CS）。

电压前馈与欠压保护

• 电压前馈：C13、R27 和 R32 连接到引脚 #5（VFF），完成一个内部峰值保持电路，提供与市电 RMS 电压相关的信息，补偿控制环路增益对市电电压的依赖性。
• 欠压保护：引脚 #10（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。电压低于 0.8V 时，IC 关闭（非锁存），功耗显著降低；电压高于 0.88V 时，IC 重启。

输出电压监测与保护

分压器 R3、R6、R11 和 R15 为 L6563S 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；电压低于 2.4V 时，IC 重启，实现动态过压保护（OVP）。如果同时 INV 引脚电压低于 1.66V（典型值），则认为反馈失败，设备锁存关闭，需循环 Vcc 才能恢复正常运行。此外，引脚 #7 电压低于 0.23V 时，L6563S 关闭；高于 0.27V 时，可重启，可作为远程开关控制输入。

三、测试结果与波形分析

谐波含量测量

该演示板按照欧洲标准 EN61000 - 3 - 2 Class - D 和日本标准 JEITA - MITI Class - D 进行测试，能够将谐波降低到规定限值以下，从满载到轻载均表现良好。功率因数（PF）接近 1，总谐波失真（THD）非常低，效率在所有负载和线路条件下都很高，满载时始终高于 93%，输出电压在整个输入电压和输出负载范围内非常稳定。

电感电流与 THD 优化器

在不同市电电压下，电感电流波形显示，峰值电感电流在半个周期内跟随 MULT 引脚，使线路电流与输入交流电压同相，降低电流波形失真，提高功率因数。L6563S 内置的 THD 优化器可减少交流输入电流在零交叉附近的导通死区，降低电流的总谐波失真。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：L6563S 实现了创新的电压前馈技术，能够快速补偿市电电压变化，确保输出电压稳定。在输入电压浪涌或下降时，VFF 功能可使输出电压迅速恢复到标称值，避免了无前馈补偿系统中的过冲和欠冲问题。
• 欠压保护：通过内部比较器检测输入市电，当检测到市电欠压时，L6563S 会自动关闭，避免初级功率部分过热和下游转换器的危险。

启动操作

启动时，启动电阻 R7 和 R16 为 C10 和 C11 充电，当 L6563S 达到开启电压阈值时开始开关。初始阶段，L6563S 由 Vcc 电容供电，随后 L1 辅助绕组提供电压。输出电压从整流市电的峰值上升到 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，当输出电压超过预设值时，IC 停止开关；当反馈断开导致过压时，检测到 INV 引脚电压下降，IC 关闭并锁存，需循环输入电源才能重启。此外，PFC_OK 引脚还可作为非锁存的 IC 禁用功能。

TBO（跟踪升压选项）

通过在引脚 #6（TBO）连接电阻（RT），可实现 TBO 功能。该功能可根据市电电压调节 PFC 输出电压，提高效率，降低升压电感的电感值。TBO 引脚的电压代表市电 RMS 电压，通过调节电阻可控制输出电压的变化。

电源管理与内务功能

L6563S 提供了与级联 DC - DC 转换器协调工作的引脚，包括 PWM_LATCH、RUN 和 PWM_STOP。这些引脚可实现对级联转换器的控制，确保在电源启动、关闭或故障等瞬态条件下的正常运行。

四、布局提示

• 电源和信号返回分离：将高电流组件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。
• 减小关键走线长度：尽量缩短与升压电感、MOSFET 漏极、升压整流器和输出电容相关的走线长度。
• 信号组件靠近引脚：将信号组件靠近 L6563S 的相关引脚，特别是引脚 #1（INV）网络的走线应尽量短。对于高功率转换器或紧凑 PCB 布局，可在引脚 #8（PWM_LATCH）和引脚 #12（GND）之间连接 10nF 电容以降低噪声。
• 散热片连接：将散热片连接到电源地。
• 电感屏蔽：为升压电感添加外部屏蔽并连接到电源地。
• 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 L6563S 的引脚 #14（GND）连接。
• Vcc 电容连接：在引脚 #14（Vcc）和引脚 #12（GND）之间连接一个陶瓷电容（100÷470nF），并将该点连接到 RTN 星点。

五、EMI 滤波与传导 EMI 预合规测量

PFC 通常会产生显著的差模噪声，可通过增加跨线（X）电容或整流桥后的电容 C5 来提高与限值的余量，这比增加共模滤波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，可判断电路受共模还是差模噪声影响。在所有测试条件下，测量结果与限值之间有良好的余量。

六、PFC 线圈规格

一般描述与特性

• 应用：消费电子、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
• 磁芯类型：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)	5.5 间隔	5.5 - 间隔	φ 0.28mm

机械方面与引脚编号

• 最大 PCB 高度：21.5mm
• 线圈骨架类型：垂直，6 + 6 引脚
• TDK 产品编号：BPQ26/20 - 1112CP
• 外部铜屏蔽：未绝缘，缠绕在铁氧体磁芯周围，包括线圈骨架，高度为 8mm，通过实心焊线连接到引脚 #3。

七、总结

基于 L6563S 的 100W 过渡模式 PFC 预调节器演示板具有出色的性能，能够有效提高功率因数、降低谐波含量、保证输出电压稳定。在设计过程中，合理的电路布局和 EMI 滤波措施对于确保系统的可靠性和合规性至关重要。通过深入了解 L6563S 的特性和功能，电子工程师可以设计出高效、稳定的电源系统。你在实际设计中是否遇到过类似的 PFC 电路问题？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验。