SG6931功率因素校正晶片及在LCD-TV電源中的應(yīng)用-新品速遞

精品文檔-下載后可編輯SG6931功率因素校正晶片及在LCD-TV電源中的應(yīng)用-新品速遞以往主導(dǎo)PFC產(chǎn)品的廠商多為國際大廠，需要耗費(fèi)很高的成本，對(duì)於電源供應(yīng)器廠商而言，很難同時(shí)兼顧高品質(zhì)及低成本的實(shí)際需求。本文介紹了基於崇貿(mào)科技(SystemGeneral)SG6931功率因素校正晶片的LCD-TV供應(yīng)器設(shè)計(jì)，該方案可大幅精簡電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路，同時(shí)降低外部零件成本。據(jù)臺(tái)灣拓樸產(chǎn)業(yè)研究所統(tǒng)計(jì)，30寸以上LCDTV今年預(yù)估出貨將達(dá)530萬臺(tái)，其中以30-34寸這個(gè)區(qū)間為主，預(yù)計(jì)將達(dá)四百萬臺(tái)。由於歐盟已經(jīng)實(shí)施PFC安規(guī)，銷歐70瓦以上之開關(guān)電源均需符合PFC規(guī)范，以達(dá)到降低耗電量的要求。大型尺寸液晶電視的電源供應(yīng)器之輸出功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過70瓦，因此普遍需要內(nèi)含PFC（PowerFactorCorrection，功因校正）技術(shù)，以往主導(dǎo)PFC產(chǎn)品的廠商多為國際大廠，需要耗費(fèi)很高的成本，對(duì)於電源供應(yīng)器廠商而言，很難同時(shí)兼顧高品質(zhì)及低成本的實(shí)際需求。本文介紹的LCD-TV供應(yīng)器設(shè)計(jì)基於崇貿(mào)科技(SystemGeneral)SG6931功率因素校正晶片，待機(jī)電路則采用SG6848PWM晶片，并輔以SG6515監(jiān)控晶片作為監(jiān)控電路，可大幅精簡電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路，同時(shí)降低外部零件成本。1、SG6931的關(guān)鍵特性功率因素(PF)是實(shí)際功率與視在功率的比，其數(shù)值可在0至1之間變化，功率因素越高(趨近於1)則代表電能利用率越高，而電能在傳輸過程中可減少無謂的損失。PFC晶片即是用以改善功率因素，這樣除了可有效利用電能、減少非必要的虛功耗外，也可降低設(shè)備間透過電源線的干擾。

SG6931是崇貿(mào)科技公司推出的功率因素校正(PFC)控制晶片，其內(nèi)部功能見圖1。它采用崇貿(mào)的技術(shù)（能提供雙重過電壓保護(hù)的多向量誤差放大器技術(shù)——美國字型大小US6,900,623，大幅加雜波免疫力的開關(guān)充電式乘除法器“SwitchingChargemultiplier/divider”技術(shù)——美國字型大小US6,812,769），以及能夠?qū)崿F(xiàn)低成本功率因素校正技術(shù)的創(chuàng)新乘除器電路技術(shù)），可大幅精簡電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路，降低外部零件成本，并提升電源系統(tǒng)的價(jià)格功能比，適用於LCD-TV、電子安定器、桌上型電腦、筆記型電腦等領(lǐng)域。

圖1SG6931功率因素校正晶片功能圖

SG6931是適用於順向式(Forward)架構(gòu)的PFC/PWM組合晶片，整合了PFC及PWM元件，針對(duì)150W以上高功率之電源轉(zhuǎn)換器在連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)下之電流轉(zhuǎn)換操作而設(shè)計(jì)。具備過溫度保護(hù)(OTP)、過電壓保護(hù)(OVP)、低電壓保護(hù)(UVP)、超載保護(hù)(OPP)、短路保護(hù)(SCP)及電能減弱(Brown-out)等功能，同時(shí)其放大器技術(shù)還可改善輸出動(dòng)態(tài)回應(yīng)。除上述多項(xiàng)功能之外，SG6931還持別提供可調(diào)整之PWM周期及柔性啟動(dòng)功能。

（1）IAC信號(hào)

如圖2所，通過一個(gè)電阻將IAC管腳連接於SG6931的輸入電壓端，電流IAC將作為PFC乘法器的輸入。IAC的線性范圍為0-360uA，輸入電壓側(cè)應(yīng)該連接一個(gè)1.2M歐的電阻器。

圖2輸入電壓檢測

（2）開關(guān)頻率及電流源

SG6931的開關(guān)頻率可以通過RI進(jìn)行編程，該電阻器連接於RI管腳和GNG之間。具體關(guān)系為∶

其中，fPWM的單位為kHz，RI的單位為k歐姆。例如，一個(gè)24k歐姆的RI將會(huì)產(chǎn)生65kHz的開關(guān)頻率。因此，恒定的電流It將流經(jīng)Ri。

IT單位為mA，用以產(chǎn)生內(nèi)部電流參考。（3）線路電壓檢測（VRMS）

圖3顯示的是一個(gè)帶有低通濾波功能的阻性除法器，用於VRMS管腳的線路電壓檢測。VRMS電壓PFC乘法器及電能減弱(Brown-out)保護(hù)。對(duì)於電能減弱(Brown-out)，當(dāng)VRMS電壓下降到0.8V以下時(shí)，OPFC將被切斷。

圖3VRMS管腳的線路電壓檢測

（4）綠色模式操作SG6931使用交替開關(guān)模式（interleavedswitching）來同步PFC和PWM進(jìn)程，這雖然減少了開關(guān)噪音，但是卻擴(kuò)大了EMI。圖4顯示了在關(guān)斷PFC門驅(qū)動(dòng)及接通PWM之間，插入TOFF時(shí)間的情形。

圖4在關(guān)斷PFC門極驅(qū)動(dòng)及接通PWM之間插入TOFF的情形

當(dāng)電平FBPWM減小時(shí)，TOFF就立即增加。這樣一來，PWM開關(guān)頻率就線性減小，以降低開關(guān)消耗。（5）PFC操作放大動(dòng)態(tài)PFC的作用是對(duì)電源的輸入電流進(jìn)行整形。輸入電流的波形和相位將隨輸入電壓的變化而變化。使用SG6931，平均電流模式（average-current-mode）控制功能用以PFC放大器的連續(xù)電流模式（average-current-mode）操作。由於電壓環(huán)路采用獨(dú)創(chuàng)的多向量控制，電流參考采用了開關(guān)式充電乘法器/除法器，因此可以獲得具有良好抗噪能力及瞬間回應(yīng)的輸入功率因數(shù)。圖5是SG6931的平均電流模式控制電路的整個(gè)控制環(huán)路。

圖5PFC級(jí)控制環(huán)路

來自開關(guān)充電乘法器/除法器的源電流信號(hào)計(jì)算如下∶

來自IMP管腳的輸出電流是IMO和IMR1的總和。IMR1和IMR2一樣都是固定的源電流。R2和R3也是一樣的。當(dāng)流過RS的電壓相對(duì)為負(fù)的時(shí)候，R2和R3用來拉高IMP和IPFC管腳的工作點(diǎn)。

通過對(duì)流經(jīng)Rs的信號(hào)進(jìn)行差分放大，可以獲得比較好的抗噪能力。IEA的輸出將與一個(gè)內(nèi)部鋸齒波進(jìn)行比較，這樣就可以檢測用以PFC的脈沖寬度。通過平均電流模式控制環(huán)路，輸入電流Is將與Imo的大小成正比。

依照等式(4)，可以得到RS的值和RS的值，因?yàn)镮MO是不會(huì)超過所規(guī)定的值的。

確定感應(yīng)電阻Rs時(shí)，有幾種不同的考慮因素。Rs的數(shù)值應(yīng)該小以減少電能消耗，但是它又應(yīng)該足夠大以維持一定的清晰度。這里，可以使用一個(gè)電流變壓器(CT)，以提高大功率轉(zhuǎn)換器的效率。為了獲得非常好的功率因素，VRMS和VEA管腳的電壓應(yīng)該按照等式（5）的要求盡量保持為DC。換句話說，為了獲得更好的輸入電流波形，建議VRMS管腳應(yīng)有較好的RC濾波，電壓環(huán)路的帶寬應(yīng)低(低於線路頻率)?？鐚?dǎo)誤差放大器的輸出阻抗為RO(90k歐)，輸出電容CEA(1uF~10uF)并與地連接(見圖6)。這就為電壓環(huán)路建立了主頻f1:

平均的總輸入功率可以表示為:

從等式(6)可以看出，電壓誤差放大器的輸出VEA實(shí)際上控制著總的輸入功率，并將該功率提供給負(fù)載。（6）多向量誤差放大器技術(shù)

SG6931的電壓誤差放大器屬於跨導(dǎo)，具有較大的輸出阻抗(90k歐)。電容器CEA(1uF~10uF)連接於VEA和地之間，為電壓環(huán)路提供主頻。盡管PFC級(jí)帶有一個(gè)低帶寬電壓環(huán)路以獲得較好的輸入功率因數(shù)，該創(chuàng)新的多向量錯(cuò)誤放大器（Multi-VectorErrorAmplifier）提供了一個(gè)快速的瞬間應(yīng)變功能，對(duì)PFC輸出電壓的過電壓（overshoot）、低電壓(undershoot)進(jìn)行箝位處理。

圖6是多向量誤差放大器的方框圖。當(dāng)遲返電壓的變化超過參考電壓的±5%時(shí)，跨導(dǎo)誤差放大器將調(diào)整其輸出阻抗，以增加環(huán)路回應(yīng)。如果RA開路，SG6931將立刻關(guān)閉，以避免輸出電容器上出現(xiàn)過高的電壓。

圖6多向量誤差放大器

(7)逐級(jí)電流限制

SG6931為PFC和PWM提供逐級(jí)（cycle-by-cycle）電流限制。圖7是PFC級(jí)的峰值電流限制原理圖。一旦ISENSE管腳的電壓值低於VPK，PFC門將停止驅(qū)動(dòng)。

VRMS管腳的電壓用以檢測VPK電壓。VPK和VRMS之間關(guān)系如圖8所示。恒定電流IP的幅度通過內(nèi)部參考電流IT進(jìn)行檢測，具體大小為∶

因此，IS峰值電流由下式確定（VRMS1.05V）∶

圖7電流限制

(8)開機(jī)次序和軟啟動(dòng)

只要線路電壓高於變?nèi)蹼妷旱拈撝?，SG6931就被啟動(dòng)。一旦SG6931被啟動(dòng)，PFC級(jí)將首先被激勵(lì)。在FBPFC電壓超過2.7V以後，PWM級(jí)在經(jīng)過4mS延遲之後啟動(dòng)。在PWM啟始階段，SS管腳將以恒定電流對(duì)外部電容器進(jìn)行充電。在啟動(dòng)階段，F(xiàn)BPWM腳上的電壓將會(huì)被SS管腳箝位。當(dāng)保護(hù)情況出現(xiàn)和/或PWM被關(guān)閉時(shí)，SS管腳將很快被放電。

圖8開機(jī)次序

（9）順向PWM和斜率補(bǔ)償

PWM級(jí)設(shè)計(jì)用以順向電源轉(zhuǎn)換器。峰值電流模式控制用以優(yōu)化系統(tǒng)性能。增加斜率補(bǔ)償功能的目的是穩(wěn)定環(huán)路的電流。SG6931在每一個(gè)開關(guān)周期插入了一個(gè)同步的正向傾斜信號(hào)。該正向傾斜信號(hào)由電壓信號(hào)Vs-comp表示。在這個(gè)例子中，傾斜信號(hào)的電壓是0.55V。

圖9斜率補(bǔ)償電路

（10）PWM級(jí)的占空比內(nèi)部恒流源來自IMD管腳。在該管腳和地之間連接一個(gè)電阻器，將產(chǎn)生電壓VMD，并可以用來確定占空比。具體計(jì)算如下∶M_DUTY(%)=(VMD-0.2V)/2.9V×100(9)在這個(gè)例子中，M_DUTY管腳連接了一個(gè)31.8k歐的電阻器。當(dāng)RI=24k歐時(shí)，IMD=50uA，這樣一來PWM級(jí)的占空比為48%。其實(shí)，SG6931的占空比為66%。實(shí)際應(yīng)用中，需要為31.8k歐電阻器并聯(lián)一個(gè)1nF的電容器，以提高穩(wěn)定性。（11）功率控制每當(dāng)電源的輸出短路或超載時(shí)，F(xiàn)BPWM管腳的電壓就會(huì)增加。如果FB腳電壓高於所閾值4.2V，并超過95msec，PWM輸出將被關(guān)掉。（12）門極驅(qū)動(dòng)SG6931輸出級(jí)是一個(gè)快速升高的門極驅(qū)動(dòng)器。該輸出驅(qū)動(dòng)器通過一個(gè)內(nèi)建的18V齊納二極體進(jìn)行箝位，以保護(hù)功率MOSFET。（13）保護(hù)功能SG6931提供有全面的保護(hù)功能，以防止電源和負(fù)載遭受損壞。這些保護(hù)特徵包括∶（A）PFC回饋過壓保護(hù)——當(dāng)PFC回饋電壓超過過壓閾值時(shí)，SG6931將會(huì)禁止PFC的信號(hào)轉(zhuǎn)變功能。該保護(hù)功能也能夠在FBPFC管腳開路時(shí)，防止PFC電源轉(zhuǎn)換器的非正常操作。（B）二級(jí)PFC過壓保護(hù)(OVP_PFC)——PFC過壓保護(hù)時(shí)，只要該輸入超過3.25V，比較器就會(huì)關(guān)閉PFC輸出。該管腳可與FBPFC腳連接，或者通過一個(gè)除法器網(wǎng)路，將其與PFC放大輸出連接。該管腳還為PFC過壓保護(hù)提供了一個(gè)外部輸入選項(xiàng)。（C）PFC回饋低電壓保護(hù)——只要PFC回饋電壓降落到低電壓閾值以下，SG6931將會(huì)關(guān)閉PFC信號(hào)轉(zhuǎn)變功能。當(dāng)FBPFC管腳與地短接時(shí)，該功能用以防止PFC電源轉(zhuǎn)換器遭遇非正常情況。（D）VDD過壓保護(hù)——一旦VDD電壓超過過壓閾值，PFC級(jí)和PWM級(jí)將關(guān)閉。（E）RI腳開路/短路保護(hù)——RI腳用來設(shè)定開關(guān)頻率和內(nèi)部參考電流。一旦RI腳短路或開路，SG6931將關(guān)閉。（14）PCB布線考慮注意，SG6931有兩個(gè)接地引腳。布線時(shí)應(yīng)遵循一些良好的高頻或射頻經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)避免過長的電路板走線和元器件引線。應(yīng)將去耦電容器分布在SG6931的旁邊。建議在OPFC腳和OPWM腳與MOSFET的門極之間分別串聯(lián)一個(gè)5~20歐電阻器。將PFC級(jí)和PWM級(jí)之間的干擾隔離起來也是非常重要的。圖10是該電路板布線的一個(gè)例子。其中，地線1從SG6931的GND腳連接到去耦電容器，其阻抗應(yīng)該越低越好，其走線應(yīng)該越短越好。地線2提供信號(hào)接地，應(yīng)直接與去耦電容器CDD，和/或SG6931的GND腳連接。地線3獨(dú)立地從去耦電容器連接到PFC輸出電容器CO。其中，輸出電容器CO的地是電源切換的主要接地參考。為了提供良好的接地參考，減少PFC和PWM級(jí)的開關(guān)雜訊，接地布線6和7應(yīng)該盡量靠近，其阻抗應(yīng)非常低。IPFC腳通過R3直接連接到RS管腳，以提高雜訊抵抗力(如不小心，就可能將其與地線2連接而出錯(cuò))。IMP腳和ISENSE腳也應(yīng)該借助電阻器R2和RP，與另外一個(gè)端點(diǎn)RS直接連接。

圖10電路板布線考慮

2、SG6848PWM晶片SG6848是崇貿(mào)科技推出的電源管理晶片，它采用脈寬調(diào)變（PWM）結(jié)構(gòu)，高度整合各種電源管理功能，同時(shí)具備數(shù)項(xiàng)增強(qiáng)功能，以滿足對(duì)於低待機(jī)能耗及許多電源保護(hù)的需求。

在待機(jī)模式中，SG6848以減少PWM頻率的方式，達(dá)到降低能源損耗及穩(wěn)定輸出電壓的目的。由於采用Bi-CMOS工藝制造，SG6848不但能夠大幅降低起動(dòng)電源時(shí)的能耗，同時(shí)也能提高電源轉(zhuǎn)換的效率。以起動(dòng)電流而言，在一般情況下可降低至5uA；而操作電流則是能達(dá)到3mA之低。

圖11SG6848電源管理晶片功能圖

在正常的操作狀態(tài)，SG6848為一定頻控制器，其Green-Mode省電技術(shù)在負(fù)載降低時(shí)會(huì)自動(dòng)調(diào)降PWM的頻率，此項(xiàng)特色能大幅減少在零負(fù)載或低負(fù)載下的電能損耗，如此一來，便能使電源供應(yīng)器符合電源轉(zhuǎn)換的需求