闭合图腾柱无桥PFC控制环路的三种方法

本期，我们将介绍闭合图腾柱无桥 PFC 控制环路的详细知识。

在所有功率因数校正 (PFC) 拓扑中，图腾柱无桥 PFC具备出色效率，因而在服务器与数据中心中得到广泛应用。然而，闭合连续导通模式 (CCM)图腾柱无桥 PFC 的电流控制环路并不像传统 PFC 那样简单直接。在 CCM 下运行的传统 PFC 采用平均电流模式控制器，如图 1 所示，其中VREF是电压环路基准，VOUT是检测到的PFC输出电压，Gv是电压环路，VIN是检测到的 PFC 输入电压，IREF是电流环路基准，IIN是检测到的 PFC 电感器电流，Gi是电流环路，d是脉宽调制占空比 (PWM)。由于传统 PFC 采用桥式整流，所有这些数值均为正，且电流反馈信号 IIN 是整流后的输入电流信号。

图 1 PFC 的平均电流模式控制器，其中所列全部参数

均为正值，且 IIN 是整流后的输入电流信号。

新的反馈信号

由于图腾柱无桥 PFC 中的电感器电流为双向电流，传统 PFC 所用的电流检测方法不再适用。而是，需采用如霍尔效应传感器这类双向电流传感器，来检测双向电感电流并为控制环路提供反馈信号。

不过，霍尔效应传感器的输出不会与检测到的电流 100% 匹配。举例而言，若检测电流为正弦波，霍尔效应传感器的输出则会是带有直流失调的正弦波，如图 2 所示。因此，无法直接将其用作图 1 所示电流模式控制器的反馈信号，需对控制器进行调整，以适配这种新的反馈信号。在本期电源设计小贴士中，将介绍使用这种新的反馈信号来闭合电流控制环路的三种方法。

图 2 图腾柱无桥 PFC 及其电流检测信号，显示霍尔效应传感器输出不会与检测到的电流 100% 匹配。

方法 1：无负环路基准的控制器

某些数字控制器（例如德州仪器 (TI) 的 UCD3138）采用硬件状态机实现控制环路；因此，状态机的所有输入信号必须大于或等于零。在此类情况下，按以下步骤闭合电流控制环路：

1.通过两个模数转换器 (ADC)分别检测交流线和交流中性线电压。

2.使用固件对检测到的VAC 信号进行整流，如公式 1 和 图 3 所示。

公式 1

图 3 使用公式 1 中所示固件对检测到的

输入电压 VAC 进行整流。

3.采用与计算传统 PFC 中的 IREF 时相同的方法计算正弦基准 VSINE，如公式 2 和 图 4 所示。

公式 2

图 4 采用与计算传统 PFC 中的 IREF 时相同的方法计算正弦基准 VSINE。

4.直接使用霍尔效应传感器输出作为电流反馈信号 IIN（公式 3）。

公式 3

5.在正交流周期内，对比 VSINE 波形与霍尔效应传感器输出波形，二者形状相同。唯一的区别是存在直流失调。使用公式 4 计算电流环路基准 IREF。

公式 4

6.控制环路具有标准负反馈控制。使用公式 5 来计算进入控制环路的误差：

公式 5

7.在负交流周期内，对比 VSINE 波形与霍尔效应传感器输出波形，二者不同之处不仅为直流失调，波形走向也相反。使用公式 6 计算电流环路基准 IREF。

公式 6

8.在负交流周期内，电感器电流越高，霍尔效应传感器输出的值越低。控制环路需要从负反馈变为正反馈。使用公式 7 来计算进入控制环路的误差。

公式 7

方法 2：纯固件型控制器

对于TI C2000 微控制器这类纯固件数字控制器，控制环路由固件实现，这意味着内部计算参数可正可负。在此类情况下，按以下步骤闭合电流控制环路：

1.通过两个ADC 检测交流线和交流中性线电压。然后使用线电压减去中性线电压以获得 VIN，如公式 8 和 图 5 所示。

公式 8

图 5 使用线电压减去中性点电压后，计算 VIN。

2.采用与传统 PFC 相同的方法，计算正弦电流环基准 IREF，如公式 9 和 图 6 所示。

公式 9

图 6 采用与传统 PFC 相同的方法计算 IREF。

3.对比 IREF 波形与霍尔效应传感器输出波形，二者形状一致，唯一不同的是直流失调。使用公式 10 计算输入电流反馈信号 IIN。图 7 显示了波形。

公式 10

图 7 使用霍尔传感器输出的波形和直流失调计算 IIN。

4.在正交流周期内，控制环路具有标准的负反馈控制。使用公式 11 来计算进入控制环路的误差：

公式 11

5.在负交流周期内，电感器电流越高，霍尔效应传感器输出的值越低；因此，控制环路需从负反馈切换为正反馈。使用公式 12 来计算进入控制环路的误差。

公式 12

方法 3：占空比前馈控制

总谐波失真 (THD) 要求愈发严格，尤其在服务器和数据中心应用中。降低 THD 需不断提高控制环路带宽。高带宽会减小相位裕度，导致环路不稳定。有限的 PFC 开关频率也限制了带宽提升。为解决此问题，可在控制环路中加入预计算的占空比来生成 PWM，即占空比前馈控制 (dFF)。

对于 CCM 模式下的升压拓扑，公式 13 对 dFF 的计算方式如下：

公式 13

该占空比形式可在开关上有效地生成一个电压，此电压在一个开关周期内的平均值等于整流输入电压。常规电流环路补偿器会根据计算出的该占空比来更改占空比。由于升压电感器在线路频率下的阻抗非常低，占空比的微小变化即可在电感器上产生足够的电压，以生成所需的正弦电流波形，因此电流环路补偿器无需具有高带宽。

图 8 展示了最终形成的控制方案。将计算出的 dFF 与传统的平均电流模式控制输出 dI 相加，得到最终的占空比 d，用于生成控制 PFC 的 PWM 波形。

图 8 PFC 的占空比前馈控制，其中将计算出的 dFF

与传统的平均电流模式控制输出 dI 相加，

将得到最终占空比 d，以此生成 PWM 波形来控制 PFC。

若要在图腾柱无桥 PFC 中发挥 dFF 的优势，可按以下步骤闭合电流环路：

1.执行方法 2 中的步骤 1、2、3、4 和 5。

2.计算 dFF，如公式 14 中所示。由于 VIN 是正弦波，且在负交流周期时为负值，计算时需取其绝对值。

公式 14

3.使用公式 15 将 dFF 与 GI 的输出 dI 相加，得到最终占空比 d。

公式 15

此外，您还可以对基于硬件状态机的控制器使用 dFF 控制。

闭合电流环路

闭合图腾柱无桥 PFC 的电流环路不像传统 PFC 那样简单直接，且不同控制器的实现方式可能存在差异。此电源设计小贴士可帮您理清图腾柱无桥 PFC 控制环路实现过程中的困惑，为您的设计选择合适的方法。