基於PI 的PFS5178F的500W/400V PFC並聯方案

500W 400V 90-264VAC並聯PFC PFS5178F-E555 方案

概述及特點

• 高度集成，低組件數，低成本PFC使用2 X PFS5178F並聯
• 低成本輸出整流器(MUR460)
• 電源集成INSOP-28封裝
• EN61000-3-2 d級標準
• 高PFC效率
• 增強輕載功率因數(PF)
• PF >0.9在20%負載和230 VAC, 50 Hz
• 50%負載時PF >0.95
• 頻率變動在負載範圍內保持高效率
• >95%從10到100%負載(115 VAC和230 VAC輸入)
• 在整個工作電壓範圍內保持相對恆定的環路增益
• 出色的瞬態負載響應
• 頻率自動調整（超過輸入線路電壓和負載）
• 簡化了EMI濾波要求

1. 基本介紹

本報告描述了一個PFC電源，利用2個實例的HiperPFS-5 PFs5178F PFC控制器作為兩個250 W並聯PFC級運行，總輸出為500W。該電源旨在作為通用平台，從通用輸入線電壓工作，並提供400 V直流穩壓輸出和500W的連續輸出功率。

電源設計用於所有輸入和負載條件下的對流冷卻，最高額定環境溫度為50℃。

2. 電路圖和PCB圖







3. 電源基本標準

輸入電壓和頻率：90-264Vac;47-64Hz
輸出：395-405Vdc/1.25A
效率：>94%
環境溫度：0-50度

4. 電路說明

這個並聯PFC電路是圍繞Power Integrations PFS5178F-E635集成PFC控制器設計的。該設計的額定連續輸出功率為500 W，提供400 VDC標稱穩壓輸出電壓，保持高輸入功率因數和線路和負載的整體效率，同時保持低成本。

    4.1 輸入EMI濾波器和整流器

熔斷器F1為電路提供過流保護，並在發生故障時將其與交流電源隔離。二極體橋BR1對交流輸入進行整流。電容器C1、C2、C3、C4、C5和C6與電感L1、L3和L4一起構成EMI濾波器，用於衰減共模和差模傳導噪聲。薄膜電容器C7和C31提供輸入去耦電荷存儲，以減少開關頻率和諧波下的輸入紋波電流。

電阻R20和R21與CAPZero內部控制器/開關U1一起工作，在線路電壓從電路中移除後放電EMI濾波電容器，同時在工作期間耗散零功率。

金屬氧化物壓敏電阻(MOV) RV1通過有效箝位電源看到的輸入電壓，在線路浪涌事件期間保護電路。

  4.2 PFS5178F並聯升壓轉換器

並聯升壓變換器級由升壓電感T1和T4以及PFS5178F ic U1和U2組成。這些轉換器級作為並聯DCM PFC升壓轉換器工作，在調節輸出直流電壓的同時保持電源的正弦輸入電流。

在啟動過程中，二極體D2為輸出電容C32提供浪涌電流路徑，繞過開關電感T1和T4以及開關U1和U2，以防止開關電感和輸出電容之間的諧振相互作用。

電容器C18和C20為RTN提供了一個短的高頻返迴路徑，以改善EMI結果，並減少關斷期間U1和U2 GaNFET漏極電壓過調。電阻R39和R40與C18和C20串聯提供阻尼以降低高頻EMI。電容C9、C11和C23去耦並旁路U1和U2 VCC引腳。電容C12、C13、C25和C28通過VDR引腳對U1和U2內部GaNFET驅動器的電源進行去耦。

電阻R12和R35編程輸出電壓電平[通過POWER GOOD THRESHOLD (PGT)引腳]，低於該電平，POWER GOOD (PG)引腳將進入高阻抗狀態。

U1和U2的REF引腳上的電容C14和C27是內部參考的噪聲去耦，也可以將輸出功率編程為滿模式，100%額定功率[C10 = 1uF]或效率模式，80%額定功率[C10 = 0.1uF]。

   4.3輸入前饋檢測電路

電源的輸入電壓由ic U1和U2通過電阻R5-R8和R22、R23、R28和R31檢測。電容C10和C22旁路集成電路U1和U2上的V引腳。

   4.4 輸出反饋

由電阻R16-19和R26、R29、R30和R36組成的輸出電壓電阻分壓器網絡提供與輸出電壓成比例的縮放電壓，反饋給控制器ic U1和U2，將PFC輸出設置為400v。電容C17和C28對U1和U2 FB引腳進行去耦。

電阻R14和R34以及電容C16和C30為U1和U2提供控制迴路主導極。電容器C15和C29提供額外的滾降，以衰減高頻噪聲

   4.5 Valley Sensing

PFC電感T1和T4有一個輔助繞組(引腳1和2)，用於在PFC電感放電進入負載後檢測DCM鬆弛環的谷點。來自每個輔助繞組的信號通過電阻R10和R25應用於U1和U2 VS引腳。PFS5從不連續環形波形的谷點開關，以減少開關損耗。

  4.6 Bias Supply

PFS5178F雖然是自啟動IC，但需要18-30 VDC的穩壓VCC電源才能持續工作，絕對最大額定電壓為30 V。VCC水平超過這個最大值可能導致IC失效。二極體D1和電阻R4提供反向偏置保護。

輔助電源應用於連接器TP4(+)和TP5 (RTN)。

 4.7 parallel operation

DER-977由兩個並聯連接的250W DCM PFC級組成，提供500W功率。通過將U1和U2的C(補償)引腳連接在一起，實現U1和U2之間的功率共享。C引腳也是PFS5178F內部OTA誤差放大器的輸出，其輸出直接編程pfc的輸出功率。任何一個轉換器奪取輸出控制的嘗試都會導致該轉換器也驅動同伴轉換器的C引腳，有助於平衡每個轉換器對總輸出功率的貢獻。

5. BOM 表單

Item	Qty	Part Reference	Description	Mfg Part Number	Mfg
1	1	BR1	600 V, 10 A, Bridge Rectifier, GBJ Package	GBJ1006-BP	Micro Commercial Co
2	4	C1 C2 C5 C6	1 nF, 500Vac, Ceramic, Y1	VY1102M35Y5UG63V0	Vishay BC Components
3	2	C3 C4	330 nF, ±10%, 275 VAC, Polypropylene Film, X2, 15.00mm x 8.50mm	890324024003CS	Wurth Electronics Inc.
4	2	C7 C31	CAP, FILM, 0.68 uF, 10%, 450VDC, RADIAL	ECW-FD2W684K	Panasonic Electronic Components
5	1	C9	47 uF, 50 V, Electrolytic, Gen. Purpose, (6.3 x 11)	EKMG500ELL470MF11D	Nippon Chemi-Con
6	4	C10 C17 C22 C28	470 pF, ±10%, 50V, Ceramic, X7R, 0603 (1608 Metric), 0.063" L x 0.031" W (1.60mm x 0.80mm)	CL10B471KB8NFNC	Samsung
7	2	C11 C23	1 uF, ±10%, 50 V, Ceramic, X5R, -55°C ~ 85°C, 0603 (1608 Metric),	CL10A105KB8NNNC	Samsung Electro-Mechanics
8	2	C12 C26	100 uF, 16 V, Electrolytic, Low ESR, 250 mOhm, (6.3 x 11.5)	ELXZ160ELL101MFB5D	Nippon Chemi-Con
9	4	C13 C14 C25 C27	2.2 uF, ±10%, 16 V, Ceramic, X7R, -55°C ~ 85°C, 0402 (1005 Metric)	GRM155R61C225KE44D	Murata
10	2	C15 C29	100 nF, 0.1μF, ±10%, 25V, Ceramic Capacitor, X7R, General Purpose, -55°C ~ 125°C, 0603 (1608 Metric)	CL10B104KA8NFNC	Samsung Electro-Mechanics
11	2	C16 C30	1 uF 16 V, Ceramic, X7R, 0603	CL10B105KO8VPNC	Samsung
12	2	C18 C20	10 nF, 1 kV, Disc Ceramic, X7R	SV01AC103KAR	AVX Corp
13	1	C32	CAP, 470 μF, 450 V, Aluminum Electrolytic Capacitors Radial, Can - Snap-In, 3000 Hrs @ 105°C, (35 mm x 45 mm)	450HXG470MEFCSN35X45	Rubycon
14	1	C33	2200PF,±20%, 500VAC (Y1),760VAC (X1), Ceramic, Y5U (E), RADIAL	440LD22-R	Vishay
15	1	D1	50 V, 1 A, Standard Recovery, GPP, SMB	S1AB-13-F	Diode Inc.
16	1	D2	1000 V, 3 A, Recitifier, DO-201AD	1N5408G	ON Semiconductor
17	2	D3 D4	600 V, 4 A, Ultrafast Recovery, 35 ns, DO-201AD	MUR460RLG	On Semi
18	1	F1	8 A, 250 V, Fast, 5 mm x 20 mm, Cartridge	0217008.HXP	Littelfuse
19	1	FH1	FUSEHOLDER OPEN 5X20MM PC MNT	64900001039	Wickmann USA Inc
20	1	HS1	HEATSINK ASSY, DER-977, AL, 3003, .090”	61-00321-01	Custom
21	1	L1	1.1 mH, HF Common Mode Choke,	30-00550-00	PI
22	1	L3	220 μH 2 pin Toroidal Choke OD 30 mm, W 15 mm, LS 15 mm	30-00548-00	PI
23	1	L4	5 mH, 8.9 A, Common Mode Choke with header (1.45" W x .80" T x 1.5" H)	8113-RC	Bourns Inc.
24	1	R4	RES, 1 R, 1%, 1/4 W, Thick Film, 1206	ERJ-8RQF1R0V	Panasonic
25	8	R5 R6 R16 R17 R22 R23 R26 R29	RES, 6.2 M, 1%, 1/4 W, Thick Film, 1206	KTR18EZPF6204	Rohm Semi
26	4	R7 R18 R28 R30	RES, 3.74 M, 1%, 1/4 W, Thick Film, 1206	CRCW12063M74FKEA	Vishay Dale
27	2	R8 R31	RES, 165 k, 1%, 1/8 W, Thick Film, 0805	ERJ-6ENF1653V	Panasonic
28	4	R9 R15 R24 R37	RES, 0 R, 5%, 1/10 W, Thick Film, 0603	ERJ-3GEY0R00V	Panasonic
29	2	R10 R25	RES, 10.0 k, 1%, 1/8 W, Thick Film, 0805	ERJ-6ENF1002V	Panasonic
30	2	R11 R27	RES, 20 k, 5%, 1/10 W, Thick Film, 0603	ERJ-3GEYJ203V	Panasonic
31	2	R12 R35	RES, 332 k, 1%, 1/10 W, Thick Film, 0603	ERJ-3EKF3323V	Panasonic
32	2	R13 R33	RES, 180 k, 5%, 1/8 W, Thick Film, 0805	ERJ-6GEYJ184V	Panasonic
33	2	R14 R34	RES, 39 k, 5%, 1/10 W, Thick Film, 0603	ERJ-3GEYJ393V	Panasonic
34	2	R19 R36	RES, 158 k, 1%, 1/8 W, Thick Film, 0805	ERJ-6ENF1583V	Panasonic
35	2	R20 R21	RES, 75 k, 5%, 2/3 W, Thick Film, 1206	ERJ-P08J753V	Panasonic
36	1	R38	RES,0 Ohms Jumper 0.1W, 1/10W Chip Resistor 0603 (1608 Metric) Moisture Resistant Thick Film	RC0603FR-070RL	Yageo
37	2	R39 R40	RES, 0.47 R, 5%, 1/2 W, Thick Film, 2010	ERJ-12ZQJR47U	Panasonic
38	1	RV1	320 Vac, 23 J, 10 mm, RADIAL	V320LA10P	Littlefuse
39	2	T1 T4	DER-977 PFSGAN 250W Transformer Rev A	25-01199-00	PI
40	4	TP4 TP6 TP8 TP9	Test Point, RED,THRU-HOLE MOUNT	5010	Keystone
41	2	U1 U2	PFS-5 IC, InSOP-T28F	PFS5178F	Power Integrations

 

6 測試報告

6.1 空載功耗

輸入電壓Ac/V	90	115	230	264
功耗 mW	48.99	54.09	85.13	97.64

6.2 效率曲線

Efficiency vs. Output Power.

6.3 功率因數曲線

6.4 輸入電壓和輸出負載電壓調整曲線



QA

1, 為什麼需要選擇並聯PFC的方案?

Answers:這是因為，在大功率電源應用中，單極PFC的開關管，整流管，PFC電感的選擇將變的困難，成本會更高。

 

2，MOSFET集成在PFC 裡面，功率如果變大怎麼辦？

Answers: PI 方案針對不同的功率集成了不同的開關管，封裝一樣，Pin to pin 替換。

 

3，怎樣保證多相工作時，每一相電流的平衡？

Answers:方案是把PFS5178F的Comp pin 並聯在一起來平衡不同相位的功率。

 

4, PFS5178F有low line 保護嗎，怎樣做到的？

Answers: PFS有Low line 的保護，利用Pin4的電流信號判斷。

 

5，PFC5178F是怎樣做到谷點開關？

Answers: IC 利用輔助繞組的感應電壓來做開關波形檢測的，利用信號的轉折點來控制。