250W 过渡模式 PFC 预调节器设计与评估：L6563S 实战应用

一、引言

在电子电源设计领域，功率因数校正（PFC）技术对于提高电源效率、降低谐波污染至关重要。本文将深入探讨基于新型过渡模式 PFC 控制器 L6563S 的 250W 演示板设计。该演示板适用于桌面 PC、工业开关电源（SMPS）、平板显示器等设备，能满足 IEC61000 - 3 - 2 或 JEITA - MITI 标准。

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二、主要特性与电路描述

2.1 电源特性

这款 SMPS 具有以下主要特性：

• 输入电压范围：90 至 265Vac
• 输入频率范围：47 至 63Hz
• 输出电压：400V
• 额定输出功率：250W
• 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）
• 最小开关频率：40kHz
• 最小估计效率：93%（Vin = 90Vac，Pout = 250W）
• 最大环境温度：50°C
• PCB 类型与尺寸：单面，35µm，CEM - 1，88 x 116mm

2.2 电路结构

PFC 功率级采用传统升压转换器，连接到 D1 整流桥的输出。由 L2 线圈、D3 二极管和 C5 电容器组成。Q1 和 Q2 功率 MOSFET 并联作为升压开关。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。

2.3 控制电路

• 启动电源：启动时，L6563S 由通过 R5 和 R11 电阻充电的 C9 电容器供电。正常运行时，L2 次级绕组和电荷泵电路（C6、R2、D4 和 D5）产生 Vcc 电压为 L6563S 供电。
• 电压信息获取：R4、R8、R12 和 R15 分压器为 L6563S 乘法器提供瞬时市电电压信息，用于调制升压峰值电流。
• 输出电压反馈：R3、R6、R7 与 R9 和 R10 电阻用于检测输出电压，并将反馈信息提供给 L6563S 以调节输出电压。C7、R13 和 C10 组成误差放大器补偿网络，确保环路稳定性。
• 峰值电流检测：R23 和 R24 电阻串联在 MOSFET 上检测峰值电流，信号通过 R20 和 C14 滤波器输入到 L6563S 的引脚 #4（CS）。
• 电压前馈与欠压保护：C12、R27 和 R28 连接到引脚 #5（VFF），完成内部峰值保持电路，获取市电 RMS 电压信息。该引脚的电压信号（等于引脚 #3（MULT）上的峰值电压的直流电平）被馈送到乘法器的第二个输入，用于 1/V² 函数，以补偿控制环路增益对市电电压的依赖性。引脚 #10（RUN）通过 R27 和 R28 电阻分压器连接到引脚 #5（VFF），提供欠压保护。当 RUN 引脚电压低于 0.8V 时，IC 关闭（非锁存），功耗显著降低；当引脚电压高于 0.88V 时，L6563S 重启。
• 输出电压监测：R21、R25、R26 和 R33 分压器为 L6563S 引脚 #7（PFC_OK）提供输出电压电平信息，用于 PFC 保护。当引脚 #7 电压超过 2.5V 时，IC 停止开关；当引脚电压低于 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），则认为反馈故障，设备锁存关闭。要恢复正常运行，需将 Vcc 电压降至 6V 以下，然后再升至开启阈值。此外，当引脚 #7（PFC_OK）电压低于 0.23V 时，L6563S 关闭；要重启，引脚 #7 电压必须高于 0.27V，可作为远程开关控制输入。

三、电气原理图与物料清单

3.1 电气原理图

演示板的电气原理图展示了各个元件的连接关系，为电路设计和调试提供了清晰的参考。

3.2 物料清单

Des.	Part type/ part value	Case style /package	Description	Supplier
JPX4	Wire jumper		Wire jumper
JPX5	Wire jumper		Insulated wire jumper
...	...	...	...	...
U1	L6563S	SO14	Enhanced PFC controller	STMicroelectronics

四、测试结果与重要波形

4.1 谐波含量测量

PFC 预调节器的主要目的之一是校正输入电流失真，降低谐波含量。演示板按照欧洲标准 EN61000 - 3 - 2 类 D 和日本标准 JEITA - MITI 类 D 进行测试，从满载到轻载（70W）都能将谐波降低到标准限制以下。输入电流波形良好，正弦波失真低，总谐波失真（THD）在所有线路和负载条件下都很低。功率因数（PF）接近 1，输出电压在不同线路和静态负载条件下非常稳定。

4.2 MOSFET 电流、过渡模式信号与 L6563S THD 优化器

两个并联 MOSFET 的电流峰值非常接近，实现了完美的电流共享，降低了总热阻。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 THD。过渡模式控制通过检测 ZCD 引脚的下降沿触发新的导通时间，根据 CS 引脚的电流信号停止 MOSFET 导通。

4.3 电压前馈与欠压功能

PFC 预调节器的功率级增益随输入 RMS 电压的平方变化，电压前馈可补偿这种增益变化，克服控制动态问题。L6563S 实现了创新的电压前馈，在市电电压变化时能快速响应，避免输出电压的过冲和欠冲。欠压保护功能通过检测输入市电电压，在电压过低时关闭 IC，避免初级功率部分过热和 PFC 预调节器开环运行。

4.4 启动操作

启动时，R5 和 R11 启动电阻为 Vcc C9 电容器充电，当 Vcc 电压达到开启阈值时，L6563S 开始工作。启动电阻的功率消耗会影响轻载时的电源效率，因此需要在最小输入市电下的启动时间和最大输入市电下的功率损耗之间进行折中选择。输出电压从整流市电的峰值上升到 PFC 输出电压的标称值，补偿网络的良好相位裕度确保了启动过程无过冲。

4.5 PFC_OK 引脚与反馈故障（开环）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，停止门极驱动活动，直到 PFC_OK 引脚电压下降到 2.4V 以下。如果同时 INV 引脚电压低于 1.66V 且 OVP 激活，则认为反馈故障，设备锁存关闭，需循环输入电源重启。PFC_OK 引脚还可作为非锁存的 IC 禁用功能，电压低于 0.23V 时关闭 IC，高于 0.27V 时重启。

4.6 TBO（跟踪升压选项）

L6563S 的引脚 #6（TBO）可实现跟踪升压功能，通过连接一个电阻（RT）到地来实现。该功能可调节 PFC 输出电压，提高效率，降低升压电感的值。TBO 引脚的直流电平等于 MULT 引脚电压的峰值，代表市电 RMS 电压。当市电电压变化时，TBO 引脚电压和通过电阻的电流也会相应变化，从而调整 PFC 预调节器的输出电压。为避免输出电压过度上升，TBO 引脚电压被钳位在 3V。

4.7 电源管理与内务功能

L6563S 便于实现协调 PFC 级和级联 DC - DC 转换器操作的“内务”电路。通过 PWM_LATCH（引脚 #8）、RUN 引脚的禁用功能和 PWM_STOP 引脚（#9）与级联 DC - DC 转换器的 PWM 控制器进行通信。PWM_LATCH 引脚在 PFC 失去对输出电压的控制或升压电感饱和时变高，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 L6563S，降低电源的空载输入功耗。PWM_STOP 引脚与 RUN 引脚配合使用，抑制 PFC 级和级联 DC - DC 转换器的 PWM 活动。

五、布局提示

5.1 布局重要性

转换器的布局是设计过程中的重要环节，良好的布局可节省调试和验证时间，减少 EMI 滤波器的使用，降低成本。

5.2 基本布局规则

• 分离电源和信号 RTN，将高电流组件的返回引脚连接到 RTN 星点。
• 最小化升压电感、MOSFET 漏极、升压整流器和输出电容器相关走线的长度。
• 将信号组件靠近 L6563S 相关引脚放置，特别是引脚 #1（INV）网络的走线要尽可能短。误差放大器相关组件和走线应远离高 dV/dt 信号的走线和连接。对于高功率转换器或紧凑 PCB 布局，可能需要在引脚 #9（PWM_LATCH）和引脚 #12（GND）之间连接一个 10nF 电容器以降低噪声。
• 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（包括反馈、PFC_OK 和 MULT 分压器）的 RTN 连接到 L6563S 引脚 #12（GND）附近。
• 在引脚 #14（Vcc）和引脚 #12（GND）之间靠近 L6563S 连接一个陶瓷电容器（100÷470nF），并将该点连接到 RTN 星点。

六、热图

通过红外相机进行热图测量，检查设计的可靠性。不同输入市电下，PFC 部分的温度不同。热图中标记了关键组件或高温组件，为散热设计提供了参考。

七、EMI 滤波与传导 EMI 预合规测量

7.1 测量结果

对演示板在满载和标称市电电压下的两条市电线路进行传导噪声平均模式测量，结果显示在所有测试条件下，测量值相对于 EN55022 类 B 标准都有至少 6dB 的裕量。

7.2 EMI 处理建议

PFC 通常会产生较大的差模噪声。如果需要额外的裕量，可以增加跨线（X）电容器或整流桥后的 C4 电容器来提高差模衰减。有时，在整流桥和升压级之间放置一个作为 π 滤波器的差模线圈比增加共模滤波器线圈的尺寸更有效和经济。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影响。

八、总结

本文详细介绍了基于 L6563S 的 250W 过渡模式 PFC 预调节器演示板的设计、测试和评估。该演示板具有良好的性能，能满足相关标准要求。在设计过程中，需要注意电路特性、布局规则、EMI 滤波等方面，以确保电源的可靠性和稳定性。各位工程师在实际应用中，不妨根据具体需求对电路进行优化和调整，你在设计过程中遇到过哪些类似的挑战呢？欢迎在评论区分享。