淺談CrM(Critical conduction mode) PFC

  目前市面上看到的功率因數校正電路(Power Factor Correction)通常是昇壓轉換器(Boost Converter)架構，昇壓轉換器可以操作在幾個不同的模式，例如:不連續操作模式(Discontinuous Current Mode, DCM)、臨界操作模式(Boundary Current Mode, BCM)與連續操作模式(Continuous Current Mode, CCM)，這三種的操作模式這邊就不加以介紹，有興趣的圍觀者可以參考” 何謂PFC(Power Factor Correction)”此文章，該文章中有簡單介紹這三種操作模式及其優缺點。本文章的主題會再深入點探討臨界操作模式的PFC。

       昇壓型的PFC線路如圖一所示。臨界操作模式(Boundary Current Mode, BCM、Critical Conduction Mode, CrM或Transition Mode, TM) 是在電感電流為零時進行切換的操作模式，CrM PFC的基本操作說明如下:一個CrM PFC電路有兩個基本的操作狀態，分別為PFC MOSFET為ON跟OFF的狀態。當PFC MOSFET為ON時，Vac對PFC電感儲能，因此PFC等效電路可以表示成圖二，PFC電感電流(IL)方程式可表示成方程式(1)。當PFC MOSFET為OFF時，PFC電感對負載VO釋能，因此PFC電路可以表示成圖三，此時PFC choke電流方程式可表示成方程式(2)。在CRM PFC操作下，當PFC MOSFET為ON跟OFF時的PFC電感電流波可以圖四來表示。

圖一、昇壓型PFC電路


圖二、PFC MOSFET 為ON時、Vac對PFC電感儲能的等效電路

方程式1 : ...... (1)


圖三、PFC MOSFET 為OFF時、PFC電感對VO釋能的等效電路

方程式2 : ...... (2)

圖四、PFC MOSFET 為ON與OFF時、PFC電感電流的波形

1. 以PFC的操作來說過電壓保護(Overvoltage protection, OVP)保護功能是一個重要的議題，為了能提供一個健全OVP功能是用跨導誤差放大器(Transconductance error amplifier)來做迴授誤差，有些元件是用替代技術來做OVP和使用誤差放大器(error amplifier)做迴授，為了這功能通常使用一至兩個腳位。
2. 一乘法器(Multiplier)來檢測輸入電壓的資訊，以產生電流波形的參考信號。
3. 一電流檢測(Current Sense)線路是連接到 PWM 比較器和保護電路用。
4. 一個零電流檢測(Zero current detection, ZCD)輸入腳位，用於檢測電感電流何時為零，並依據電感電流為零時，開啟驅動器。
5. 需要有電壓供應(VCC)、地參考準位(Ground)和驅動器(Driver)等腳位。

圖五、NCP1611腳位定義


圖六、NCP1623 TSOP-6與SOIC-8包裝的腳位定義

       安森美半導體(onsemi semiconductor) CrM PFC控制器在一個非常小的包裝裡，都有上述這些功能設定與腳位，這些特性也包含電流模式的CrM PFC所必要的控制功能。此外，安森美半導體(onsemi semiconductor) 在PFC控制器上利用分開對雜訊較敏感的腳位與產生較高雜訊腳位的做法，讓PFC控制器的佈線(Layout)變得相對容易。利用在Vcc與地(Ground)之間緩衝驅動器，來達到最佳的雜訊保護。