深入解析FAN7930B：高性能临界导通模式PFC控制器

在电源设计领域，功率因数校正（PFC）技术至关重要，它不仅能够提高电源效率，还能减少对电网的谐波污染。今天，我们将深入探讨安森美（onsemi）推出的一款优秀的临界导通模式（CRM）PFC控制器——FAN7930B。

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一、FAN7930B概述

FAN7930B是一款专为升压PFC应用设计的有源PFC控制器，工作在临界导通模式。它采用电压模式PWM控制，通过将内部斜坡信号与误差放大器输出进行比较来生成MOSFET关断信号。与电流模式CRM PFC控制器相比，它无需整流后的交流线电压信息，从而节省了输入电压感测网络的功率损耗。

主要特性

1. 多种保护功能：具备过压保护（OVP）、开路反馈保护、过流保护（OCP）、输入电压缺失检测以及欠压锁定保护（UVLO）等功能，确保系统的稳定性和可靠性。
2. 低谐波失真：采用新的可变导通时间控制方法，总谐波失真（THD）低于传统CRM升压PFC IC。
3. 集成多种功能：集成了额外的OVP检测引脚、VIN - 缺失检测、最大开关频率限制、内部软启动和无过冲启动、内部THD优化器等功能。
4. 低功耗：具有低启动和工作电流，降低了系统功耗。
5. 强大的驱动能力：图腾柱输出，具有 +500/ - 800 mA的峰值栅极驱动电流。
6. 小型封装：采用8引脚小外形封装（SOP），节省电路板空间。

二、引脚配置与定义

FAN7930B的引脚配置清晰，每个引脚都有其特定的功能：	Pin No.	Name	Description
1	INV	误差放大器的反相输入，升压PFC转换器的输出电压应通过电阻分压至2.5 V。
2	OVP	当INV引脚信息不正确时，用于检测PFC输出过压。
3	COMP	跨导误差放大器的输出，输出电压补偿组件应连接在该引脚和GND之间。
4	CS	过流保护比较器的输入，通过感测电阻感测MOSFET电流，并将产生的电压施加到该引脚，内部包含RC滤波器以过滤开关噪声。
5	ZCD	零电流检测（ZCD）模块的输入，当该引脚电压高于1.5 V，然后低于1.4 V时，MOSFET导通。
6	GND	所有引脚的接地电位，为确保正常工作，信号地和功率地应分开。
7	OUT	栅极驱动输出，峰值源电流和灌电流分别为 +500 mA和 - 800 mA，为确保正常工作，栅极驱动路径中的杂散电感必须最小化。
8	VCC	IC电源引脚，通过该引脚提供IC电流和MOSFET驱动电流。

三、电气特性

电源部分

• 启动阈值电压（VSTART）：当VCC上升时，启动阈值电压为11 - 13 V。
• 停止阈值电压（VSTOP）：当VCC下降时，停止阈值电压为7.5 - 9.5 V。
• 欠压锁定迟滞（HY_UVLO）：为3.0 - 4.0 V。
• 齐纳电压（VZ）：当ICC = 20 mA时，齐纳电压为20 - 24 V。
• 推荐工作范围（VOP）：为13 - 20 V。

电流部分

• 启动电源电流（ISTART）：当VCC = VSTART - 0.2 V时，启动电源电流为120 - 190 μA。
• 工作电源电流（IOP）：输出不开关时，工作电源电流为1.5 - 3.0 mA。
• 动态工作电源电流（IDOP）：在50 kHz，C1 = 1 nF时，动态工作电源电流为2.5 - 4.0 mA。
• 禁用时的工作电流（IOPDIS）：当VINV = 0 V时，禁用时的工作电流为90 - 230 μA。

其他部分

• 电压反馈输入阈值1（VREF1）：在TA = 25°C时，为2.465 - 2.535 V。
• 最大导通时间：有两种编程方式，tON,MAX1和tON,MAX2，具体值根据不同条件而定。
• 电流感测输入阈值电压限制（Vcs）：为0.7 - 0.9 V。

四、功能优势对比

与FAN7530对比

Function	FAN7530	FAN7930B	FAN7930B Advantages
OVP Pin	None	Integrated	无需额外的OVP外部电路，降低了额外OVP电路导致的功率损耗和BOM成本。
Frequency Limit	None	Integrated	禁止异常CCM操作，防止异常电感电流积累。
VIN - Absent Detection	None	Integrated	通过检测输入电源电压提高系统可靠性，确保在短时间停电时稳定运行。
Soft - Start and Startup without Overshoot	None	Integrated	减少启动时的电压和电流应力，消除因不必要的OVP触发产生的可听噪声。
Control Range Compensation	None	Integrated	避免轻载和高输入电压时的突发操作，降低因突发操作产生可听噪声的概率。
THD Optimizer	External	Internal	无需外部电阻。
TSD	None	140°C with 60°C Hysteresis	稳定可靠的热关断操作，限制转换器温度范围。

与FAN7930C对比

在RDY引脚和OVP引脚方面，两者都有集成，但用户可根据需求选择使用2号引脚。

五、应用信息

启动过程

PFC模块的电源电压（VCC）通常由额外的电源（备用电源）提供。如果没有备用电源，可使用用于零电流检测的辅助绕组作为电源。当PFC模块的电源电压超过12 V时，内部操作启用，直到电压降至8.5 V。如果VCC超过VZ，将从VCC吸收20 mA电流。

INV块

INV引脚的输入是输出的缩放电压，基于该引脚嵌入了多种功能，如跨导放大器、输出OVP比较器和禁用比较器。为了控制输出电压，使用跨导放大器代替传统的电压放大器，它有助于实现OVP和禁用功能。输出电压控制采用两极一零型补偿，以平衡对电源因数校正的线路输入电压影响和控制器的瞬态响应。

OVP引脚

OVP保护基于INV引脚的信息，但为了防止因分压电阻损坏导致的输出过压，额外设置了OVP引脚进行双重检查。两种OVP条件的保护恢复模式不同，第一种OVP触发时，开关立即停止，当输出电压下降并具有一定迟滞时恢复开关；第二种OVP触发时，只有当VCC电源电压低于VSTOP并再次高于VSTART，且VovP低于迟滞时才能恢复开关。

控制范围补偿

FAN7930B通过输出电压补偿器控制导通时间。在高输入电压和轻负载时，控制范围会变窄，为减少轻载时的不必要突发操作，内部实现了控制范围补偿功能，在高线电压下直到5%负载都不会出现突发操作。

零电流检测

零电流检测（ZCD）通过与电感耦合的辅助绕组在升压电感电流达到零时生成MOSFET的导通信号。辅助绕组电压可在正负之间摆动，ZCD引脚的内部模块具有正负电压钳位电路。当辅助电压为负时，内部电路通过向ZCD引脚和辅助绕组之间的串联电阻提供电流，将ZCD引脚的负电压钳位在0.65 V左右；当辅助电压高于6.5 V时，电流通过电阻从辅助绕组流向ZCD引脚。

控制过程

FAN7930B将缩放后的输出与内部参考电压进行比较，通过跨导放大器从COMP引脚产生吸电流或源电流。误差放大器输出与内部锯齿波形进行比较，根据控制器确定合适的导通时间。与传统电压模式PWM控制器不同，FAN7930B在ZCD信号的下降沿导通MOSFET，导通时间持续到误差放大器输出（VCOMP）和锯齿波形相遇。

软启动

当VCC达到VSTART时，内部参考电压在5 ms内呈阶梯式增加，VCOMP也逐渐升高，MOSFET导通时间平稳增加，减少了启动时功率开关上的电压和电流应力。

无过冲启动

PFC的反馈控制速度较慢，启动时可能触发OVP，导致可听噪声和电压应力增加。FAN7930B在启动时通过内部比例增益控制器控制反馈回路，当输出电压达到额定值后，在30 ms的过渡时间后切换到外部补偿器，消除了启动时的过冲。

THD优化

总谐波失真（THD）决定了输入电流形状与正弦波的匹配程度。FAN7930B通过ZCD引脚提供电流来优化THD，使导通时间在一个交流线路周期内根据输入电压成比例变化，在零交叉附近延长导通时间，改善THD性能。

VIN - 缺失检测

为减少输入电压感测电阻的功率损耗和优化THD，FAN7930B省略了交流输入电压检测。当输入交流电压突然中断时，为保护MOSFET和二极管，FAN7930B会检查输入交流电压是否存在，如果不存在则重置软启动，等待输入恢复。

电流感测

通过外部感测电阻感测MOSFET电流进行过流保护，当CS引脚电压高于0.8 V时，过流保护比较器产生保护信号，内部RC滤波器用于过滤开关噪声。

栅极驱动器输出

FAN7930B包含一个单图腾柱输出级，用于直接驱动功率MOSFET，驱动输出能够提供高达 +500/ - 800 mA的峰值电流，在1 nF负载下典型上升和下降时间为50 ns，输出电压钳位到13 V以保护MOSFET栅极。

六、PCB布局指南

PFC模块处理高开关电流，电压低能量信号路径可能受到高能量路径的影响，因此谨慎的PCB布局对于稳定运行至关重要：

1. 栅极驱动路径：应尽可能短，从栅极驱动器、MOSFET栅极、MOSFET源极到PFC控制器接地的闭环应尽可能紧密，功率地和信号地的共享位置应只有一处，以避免接地环路噪声。
2. PFC输出电压感测电阻：通常较高以减少电流消耗，为减少INV引脚的噪声，建议输出感测路径尽可能短。如果无法实现短路径，可在PFC输出和INV引脚之间放置一些分压电阻，靠近INV引脚更好。
3. ZCD路径：建议靠近升压电感的辅助绕组和ZCD引脚，如果难以实现，可放置一个小于50 pF的小电容来减少噪声。
4. 开关电流感测路径：不应与其他路径共享，可能需要一些额外的组件来降低施加到CS引脚的噪声水平。

七、典型应用电路

以LCD TV电源供应为例，FAN7930B在通用输入下，25%、50%、75%和100%负载条件下的平均效率高于95%，额定负载下的功率因数高于0.98，总谐波失真（THD）低于15%。在设计时，当辅助VCC电源不可用时，VCC电源可通过零电流检测（ZCD）绕组提供，但需检查R103的功率额定值；INV引脚的输入偏置电流几乎为零，输出电压感测电阻应尽可能高，但过高的电阻会使节点易受噪声影响，需要在功耗和抗噪性之间取得平衡；如果输出二极管的浪涌电流能力足够，可省略快速充电二极管（D106）。

八、总结

FAN7930B作为一款高性能的临界导通模式PFC控制器，具有丰富的保护功能、低谐波失真、集成多种实用功能等优点，在电源设计中具有广阔的应用前景。电子工程师在使用FAN7930B进行设计时，需要充分了解其特性和应用要求，合理进行PCB布局，以确保系统的稳定性和可靠性。你在使用类似PFC控制器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。