HP1010|图腾柱无桥PFC电流采样模式小结

伴随着氮化镓和碳化硅等第三代半导体功率器件在应用端的兴起，图腾柱PFC也随之从学术研究走到了现实的产品里。然而，在受益于拓扑电路简洁，高功率密度和效率的同时， 还是有很多技术难点是需要克服的。本文将讨论图腾柱PFC电流采样，以及慧能泰发布的数字控制图腾柱PFC控制器 HP1010的实测性能。

传统升压PFC电路中的电感电流检测可以简单到单个分流电阻。在图腾柱PFC中，电感电流检测并不容易，主要需要解决：高压隔离和快速保护两大难点。如图1 和 图2， 电感电流采样电路和输出电压供地， 所以需要隔离的电流采样方案。当前隔离电流采样方案主要有3种：

1.霍尔效应传感器（Hall Effect Sensor）： 霍尔效应传感器利用霍尔效应测量磁场的变化，从而测量电流。精准度一般通产在0.5%- 5%，功耗低在毫瓦级，支持双向和直流采样的优点。但是传感器面对磁场微弱变化带来的采样困难，需要通过放大信号和介质材料两个路径来提高性能。这样会导致体积问题。图腾柱拓扑的应用中需要考虑两个问题：低延时和高功率密度设计。交流电压频率一般在50 Hz – 60 Hz, 传感器采样速度需要满足突发请发情况下（过流， 雷击等），PFC功率管快速响应， 通常在几百KHz。为了满足主开关管的逐周期（CBC）过电流保护，较低的传输带宽将影响电流采样输出的上升斜率，致使控制器无法及时对过电流进行保护。因此，传感器带宽是霍尔传感器的最大问题。

2.隔离电流采样方案有差模运放（OP-AMP）：差模电流采样利用了基尔霍夫电流定律（KCL）和欧姆定律，根据电流在测量电阻中产生的电压差来测量电流。电流方向通过比较参考和被测电流的差异来获取。隔离运放的调理电路相对复杂，需要占用PCB较大面积，且容易受到共模电压干扰。其次隔离运放的传输带宽通常在几百kHz，因此同样影响逐周期电流保护的效果，高带宽的隔离运放的成本也是重要考虑因素。

3.电流互感器（Current Transformer，CT）：感应被测电流在次级线圈中产生的电流来实现电流的采样。CT无需驱动电路，并且可以低功耗测量大电流。相对隔离运放和霍尔，低成本的CT即可具有相对最高的带宽（~MHz），精度通常在0.1%-1%, 不易受到温度影响。使用中要注意直流带来的磁饱和以及线圈磁化后精度下降的问题。图腾柱拓扑里，HP1010可以通过三个CT来重构一个开关周期内完整的功率电感平均电流，从而实现功率因素校正。

图 1：图腾柱PFC电流采样：霍尔（左） ; 隔离运放（右） 

图 2：HP1010 CT 电流采样

HP1010 采用电流互感器方案。这个方案力争实现三个优势：

·天然满足隔离采样

·支持高频开关管逐周期电流保护（CBC）

·慧能泰专利电路，实现简单、灵活

图2中， CS1 和 CS2组合提供实时、精准的电感平均电流信息，同时CS1集成了保护门限可编程的高性能模拟比较器，可以满足图腾柱拓扑控制里，对动态过流，雷击保护的诉求，如图3测试证实。根据具体设计要求，CS2 采样可以灵活选择电阻，或CT的方案。结合采样信息，HP1010的高性能Sigma-delta ADC 兼顾了高频采样，功耗，以及平均电流的计算。与峰值电流相比，平均电流的使用可以进一步降低宽负载下总电流谐波失真（THDi），如图4测试。

图 3：HP1010 雷击测试，正半周期负向雷击（左），负半周期正向雷击（右）

图 4 ：HP1010 600W参考设计 THDi 测试曲线

综上所述， 本文主要讨论了图腾柱PFC应用中常见的电流方案。三种方案，a)电阻加隔离运放，b)电流互感器，c)霍尔传感器，各有优缺点，参考表1。

表1：图腾柱PFC 常见电流采样方案

工程师对某个方案的选取，需要考虑系统性能，器件参数，成本等多个因素。HP1010 的测试数据证实，图腾柱拓扑在收获高效的同时， 可以安全可靠的运行；结合特有的控制算法，电流互感器方案简洁灵活，并且CBC保护性能出色。事实上除了雷击保护，HP1010还提供丰富完善的可编程保护功能，包括：浪涌过电压保护、输入电压过压/欠压保护、输出电压过压/欠压保护、输出反馈电压开路保护等。保护功能参数与使能均可独立配置。I²C 和 UART通信接口使配置，通信简单灵活。所以，HP010广泛应用在空调和白色家电、高性能计算机、5G/ 电信电源、工业电源、超高密度 (UHD) 电源、带有IGBT的PFC电源等系统。