参考文献:LD7593AX/DA应用手册及IC规格书
1.功率因素修正电路PFC(Power Factor Correction)背景说明
功率因素 ( Power Factor ) 定义为电源系统的输入实功率与视在功率 (有效功率加上无效功率)的比值，主要表示的是电力系统的利用率，越接近 1 则表示无效功率 ( Reactive Power ) 越低，利用率越高。对于供电端，例如电厂等来说，功率因子越高，则能源使用效率越好。因此，自2001年1月1日起,欧盟正式对电子设备谐波(Harmonics)有详细规范,规定电源输入75W 以上电子设备产品，都必须通过[EN61000-3-2 (Power Line Harmonics)]谐波测试，已在所有欧洲国家生效，所有相关产品输入欧洲地区市场必须符合标准。
PFC分成主动式（Active）PFC与被动式（Passive）PFC两种，主要是依据控制PFC的组件特性来区分。
一、被动式（Passive）PFC：
使用被动式组件，采用硅钢片形式电感补偿方法通过使交流输入的基波电流与电压之间相位差减小来提高功率因数。被动式PFC的功率因数不是很高，只能达到0.7~0.8，因此其效率也比较低，发热量也比较大。缺点为输出功率越大的电源供应器，所需要的硅钢片形式电感体积越大，也导致应用范围受限，被动式（Passive）PFC电路示意如图1。7k4ednc
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| 图1 被动式（Passive）PFC电路 |
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二、主动式（Active）PFC：
主动式组件由PFC电感，二极管，开关组成升压电路，主动式PFC电路示意如图2，体积跟重量较被动式轻的多，因此打破了电源供应器重的一定比较好的传统观念。通嘉科技在主动式PFC 控制器已深耕多年，在TV，Monitor，Networking，NoteBook…带PFC的电源都有非常成熟的量产经验，在主动式PFC 控制器持续研发创新。7k4ednc
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| 图2 主动式（Active）PFC电路 |
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2.主动式PFC控制器工作模式说明
PFC 工作模式依据PFC电感电流可分为三种型态：非连续导通模式(DCM)
临界导通模式(CRM)也称为转换模式(TM)和连续导通模式(CCM)。DCM，TM与 CCM 操作模式最主要的差异为DCM与TM的电感电流在同个周期中皆会放到零，CCM的电感电流会持续至下个周期。由于TM操作模式效率较单纯DCM高，所以一般PFC常用的工作模式为TM和CCM。TM操作模式具有成本低廉，功率组件应力较小，轻载效率较佳，在300W以下的电源广泛的应用，为通嘉LD7593采用的工作模式，比较件表1。
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| 模式 |
特色 |
优点 |
缺点 |
| DCM |
1. 零电流切换2. 固定频率3. PFC 电感感量低 |
1. 成本便宜2. 无二极管反向恢复时间 |
1. 传导损失较大2. 电感电流大3. 总谐波失真(THD)较差 |
| CRM / TM |
1. 零电流切换2. 固定频率导通时间,3. 变频 |
1. 成本便宜2. 效率较DCM佳3. 无二极管反向恢复时间 |
1. 传导损失较大2. 电感电流大 |
| CCM |
1. 无零电流切换2. 固定频率3. PFC 电感感量高4. 开关模式硬切 |
1. 功率较大2. 电磁干扰(EMI)较佳3. 纹波电流较小 |
1. 开关损失较大2. 成本较贵3. 功率组件应力大 |
| 表1 PFC 三种工作模式比较 |
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3.通嘉PFC 控制器技术特点说明
从最早推出的Transition-Mode PFC 控制器LD7591如图3，到第二代采用负电流侦测无需辅助绕组的LD7592如图4，到最新推出的SOT-26封装的LD7593如图3，同样不需要辅助绕组，通嘉PFC Controller持续往高效能及电路优化的方向前进。
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| 图3 LD7591控制器电路 |
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| 图4 LD7592控制器电路 |
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| 图5 LD7593控制器电路 |
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LD7593为符合各种不同应用，提供两种封装LD7593AX(SOP-26)如图6及LD7593DA(SOP-8) 如图7，具有辅助绕组侦测零电流，可沿用带有辅助绕组的PFC电感，不需要重新设计电感，对于成本优化及新设计可使用LD7593AX (SOP-26)达到成本优化的特色，不同封装提供灵活且实用的选择。
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| 图6 LD7593AX(SOP-26)封装 |
图7 LD7593DA(SOP-8)封装 |
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LD7593AX电路功能说明如图8及IC Pin脚功能应用说明如表2
LD7593DA电路功能说明如图9及IC Pin脚功能应用说明如表3
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| 图8 LD7593AX电路功能说明 |
| Pin |
NAME |
应用说明 |
| 1 |
OUT |
MOSFET driver output, Source=700mA, Sink=-300mA |
| 2 |
GND |
IC Ground |
| 3 |
CS/ZCD |
过电流检测Cycle by Cycle Current Limit(OCP)及零电流检测功能 |
| 4 |
INV |
PFC 输出电压回授, 参考电压=2.5V |
| 5 |
COMP |
误差放大器的输出用于电压环路补偿 |
| 6 |
VCC |
Vcc_ON=16V,Vcc_off=7.5V, OVP=28V |
| 表2 LD7593AX Pin脚功能应用说明 |
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| 图9 LD7593DA电路功能说明 |
| Pin |
NAME |
应用说明 |
| 1 |
INV |
PFC 输出电压回授, 参考电压=2.5V |
| 2 |
COMP |
误差放大器的输出用于电压环路补偿 |
| 3 |
VINSNS |
输入电压检测 |
| 4 |
CS |
PFC 输出电压回授, 参考电压=2.5V |
| 5 |
ZCD |
零电流检测功能 |
| 6 |
GND |
IC Ground |
| 7 |
OUT |
MOSFET driver output, Source=700mA, Sink=-300mA |
| 8 |
VCC |
Vcc_ON=16V,Vcc_off=7.5V, OVP=28V |
| 表3 LD7593DA Pin脚功能应用说明 |
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4.通嘉PFC Controller(LD7593)技术特点说明
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超低启动电流，小于1uA，启动速度快且节能。
-
电压模式控制。
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LD7593AX : 无需额外ZCD Winding检测零电流Turn on
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第一阶过电压保护(1st Over Voltage Protection)on INV pin
-
LD7593AX : 第二阶过电压保护(1nd Over Voltage Protection)on CS/ZCD pin。
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Cycle by Cycle Current Limit
-
1st , 2nd , 3rd , 4th ,….谷底切换导通，达到效率与开关组件应力优化。
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轻载降频功能，提升轻载效率。
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LD7593DA : 输入电压检测，切换高低压On time，优化高压PF值。
-
LD7593DA : 预设四个最大On time档位供选择，应对不同系统瓦特数。
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Driving 能力 Source=700mA, Sink=-300mA, with 33nF @ OUT
-
内建过温度保护(INT. OTP)
4.1 LD7593各Pin脚保护功能
LD7593 针对不同Pin脚设置了完整的保护功能，以确保产品的可靠度，以避免造成损伤，LD7593AX保护功能如图10，LD7593DA保护功能如图11。
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| 图10 LD7593AX 保护功能 |
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| 图11 LD7593DA 保护功能 |
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4.2 Fixed Turn-On Time Control控制模式
控制方式使用误差放大器的输出和斜坡产生器模块的输出来进行比较，决定PFC MOSFET 的导通时间，达到固定导通时间控制(Fixed Turn-On Time Control) ，GM放大器的输出电流会根据放大器反相输入端和参考电压2.5V差而变化，驱动关闭条件 GM 放大器的输出电压(Vcomp)与内部产生锯齿波进行比较, 当Vcomp上升时驱动导通时间增加, 当Vcomp下降时导通时间减少如图12。
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| 图12 Fixed Turn-on Time Control |
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由于为固定导通时间控制，交流输入不论在波峰还是波谷，导通时间皆为固定，如图13，14。
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| 图13 AC输入波峰波形Ch1:驱动波形 Ch2:电感电流 |
图14 AC输入波谷波形Ch1:驱动波形 Ch2:电感电流 |
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4.3 LD7593工作频率说明
对于Transition-Mode PFC，开关频率是变动的，并且随着负载的减少，电感放电时间速度快，导通时间固定的情况下，工作频率变快。为了在整个输出负载范围内获得良好的效率效能，LD7593实施了频率限制曲线，以减少轻负载时高开关频率造成的额外损耗。频率限制曲线如图15所示，并在极轻载及空载的条件下进入Burst Mode，降低开关切换造成的效率损失，如图16所示。
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| 图15 LD7593AX 频率限制曲线 |
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| 图16 Burst Mode，Ch1:输出 Ch2:VCOMP Ch3: 驱动波形 |
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4.4 INV Pin功能说明
LD7593AX/DA INV Pin电路如图17，18，INV Pin侦测电解电容电压并藉由电阻Ra及Rb进行分压达到稳压，参考电压(Vref)为2.5V，OVP参考电压为2.7V(LD7593AX)及2.675V (LD7593DA)，设计准则如下:
输出电压对应Vref电压公式:
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设置Bulk 电压为395V，可推得Ra为3M ohm，Rb为19.1k ohm。
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| 图17 LD7593AX |
图18 LD7593DA |
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4.4.1 一阶OVP on INV Pin
INV Pin同时提供OVP保护，确保大电容不被高电压损伤，LD7593AX OVP参考电压(Vref)为2.7V，LD7593DA OVP参考电压(Vref)为2.675V，OVP触发波形如图19。
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以Ra为3M ohm，Rb为19.1k ohm可推得OVP电压为426V / 422V。
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| 图19 LD7593 OVP，Ch1:Vo Ch2:INV Ch3:Out |
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4.5 ZCD Pin功能说明
透过Zero Current Detection（零电流侦测ZCD），达到谷底切换功能，当磁化电流达到零时，PFC 电感开始与寄生电容谐振，Mosfet VDS 开始下降，检测该下降沿作为零电流点，进行Mosfet导通，降低开关损耗。
4.5.1 LD7593AX与LD7593DA ZCD侦测方式说明
4.5.2 LD7593AX : 零电流侦测Mos VDS采用电阻电容分压
LD7593AX透过电阻RZCDA和RZCDB直接采样VDS波形来侦测零电流点，参考电路及时序如图20。为了避免振铃，Mosfet关断后增加1500ns的延迟，透过拐点侦测技术侦测零电流点。为确保谷底开关导通，在拐点侦测后又增加了另一个 ZCD 延迟时间。经过此 ZCD 延迟时间后，Mosfet导通。在实际应用中，RZCDA可以放置10MOhm以上以节省功耗。另外，VDS 在取样到 ZCD 之前会衰减超过 100 倍，ZCD 波形容易受到噪声的影响且容易失真。建议添加两个额外的电容器 CZCDA 和 CZCDB 以解决此问题。
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| 图20 LD7593AX 零电流侦测 |
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4.5.3 LD7593DA : 零电流侦测采用辅助绕组采样
LD7593DA通过升压电感器的电流透过使用与电感器耦合的辅助绕组降至零时，零电流检测模块将导通Mosfet，参考电路及时序如图21。在Mosfet关闭阶段，ZCD 接脚电压上升至 0.2V 以上，ZCD 比较器置位并开始等待 ZCD 电压降至 0.1V 以下。当 ZCD 电压低于 0.1V 时，零电流侦测器将开启Mosfet。 ZCD 接脚由两个箝位内部保护：4V 正电压箝位和-0.7V 负电压箝位。
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| 图21 LD7593DA零电流侦测 |
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4.5.4 ZCD实际波形
图22~图24演示了在不同负载条件下，对应不同的波谷数做切换，当负载量由重变轻，波谷数相对增加，以达到最佳的效率表现。
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| 图22 第一波谷切换 |
图23 第二波谷切换 |
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| 图24 第三波谷切换 |
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CH1 :驱动波形, CH2 : PFC MOS VDS, CH3 :ZCD
4.6 CS Pin功能说明
CS 脚位侦测PFC Mosfet电流，当电流侦测引脚的最大电压阈值设定为 0.8V，当电压阈值上升至0.8V将MOSFET关断达到Cycle by Cycle current limit，以防止PFC电感饱和，触发波形如图25。
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| 图25 Cycle by Cycle current limit，Ch1:Vo Ch2:INV Ch3:Out |
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4.6.1 LD7593AX : 二阶OVP on CS/ZCD PIN
LD7593AX CS引脚侦测PFC MOSFET 电流，同时侦测输出电压，提供二阶的OVP保护，当一阶OVP失效时，二阶OVP启动可确保大电容不被损坏，增加产品可靠度，电路及触发条件如图26，27，OVP2触发波形如图28，29。
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| 图26 LD7593AX OVP2电路 |
图27 LD7593AX 触发条件 |
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| 图28 OVP2，Ch2:Vo Ch3:CS/ZCS |
图29 OVP2，Ch2:Vo Ch3:CS/ZCS |
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4.7 LD7593DA : Vinsns Pin功能说明
藉由电阻Rh及Rl进行分压侦测输入电压准位如图30，当 VINSNS 高于 1.4V 时，设置为高输入电压；当 VINSNS 低于 1.2V 时，设置为低输入电压。交流低压和高压的最大导通时间比设定为 2.87。起机时默认功能如图31，经由Rcs电阻值不同，有四个档位可供选择见表4，输入交流低压最大导通时间为 25 us时，输入交流高压最大导通时间为 8.7 us，可以大幅度改善输入高压时的PF值。
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| 图30 Vinsns分压电路 |
图31 导通时间默认功能 |
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RCS (Ohm)7k4ednc
（±1%)7k4ednc |
Maximum On-Time(µs)7k4ednc |
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AC low line7k4ednc |
AC high line7k4ednc |
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220<7k4ednc |
257k4ednc |
8.77k4ednc |
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4307k4ednc |
217k4ednc |
7.37k4ednc |
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7507k4ednc |
177k4ednc |
5.97k4ednc |
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>10007k4ednc |
137k4ednc |
4.57k4ednc |
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表4 RCS对应最大导通时间7k4ednc |
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5.通嘉PFC 200W Demo Board 设计范例
PFC : LD7593 + VCC : LD7932
PCB Size: 162mm(L) x 103mm(W) x 26mm(H)
输出功率 : 390V/0.5A,
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| 图32 PFC 200W实体图 |
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PF值测试
Test Condition : Full load
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效率测试
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责编：Ricardo
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