以往主导PFC产品的厂商多为国际大厂，需要耗费很高的成本，对於电源供应器厂商而言，很难同时兼顾高品质及低成本的实际需求。本文介绍了基於崇贸科技(System
General) SG6931功率因素校正晶片的LCD-TV供应器设计，该方案可大幅精简电源系统设计电路，同时降低外部零件成本。
据台湾拓朴产业研究所统计，30寸以上LCD
TV今年预估出货将达530万台，其中以30-34寸这个区间为主，预计将达四百万台。由於欧盟已经实施PFC安规，销欧70瓦以上之开关电源均需符合PFC规范，以达到降低耗电量的要求。
大型尺寸液晶电视的电源供应器之输出功率远远超过70瓦，因此普遍需要内含PFC（Power Factor
Correction，功因校正）技术，以往主导PFC产品的厂商多为国际大厂，需要耗费很高的成本，对於电源供应器厂商而言，很难同时兼顾高品质及低成本的实际需求。本文介绍的LCD-TV供应器设计基於崇贸科技(System
General) SG6931功率因素校正晶片，待机电路则采用SG6848
PWM晶片，并辅以SG6515监控晶片作为监控电路，可大幅精简电源系统设计电路，同时降低外部零件成本。
1、SG6931的关键特性
功率因素(PF)是实际功率与视在功率的比，其数值可在0至1之间变化，功率因素越高(趋近於1)则代表电能利用率越高，而电能在传输过程中可减少无谓的损失。PFC晶片即是用以改善功率因素，这样除了可有效利用电能、减少非必要的虚功耗外，也可降低设备间透过电源线的干扰。

SG6931是崇贸科技公司推出的功率因素校正(PFC)控制晶片，其内部功能见图1。它采用崇贸的专利技术（能提供双重过电压保护的多向量误差放大器技术——美国专利字型大小US6,900,623，大幅加杂波免疫力的开关充电式乘除法器“Switching
Charge
multiplier/divider”技术——美国专利字型大小US6,812,769），以及能够实现低成本功率因素校正技术的创新乘除器电路技术），可大幅精简电源系统设计电路，降低外部零件成本，并提升电源系统的价格功能比，适用於LCD-TV、电子安定器、桌上型电脑、笔记型电脑等领域。

图1 SG6931功率因素校正晶片功能图

SG6931是适用於顺向式(Forward)架构的PFC/PWM组合晶片，整合了PFC及PWM元件，针对150W以上高功率之电源转换器在连续导通模式(CCM)下之电流转换操作而设计。具备过温度保护(OTP)、过电压保护(OVP)、低电压保护(UVP)、超载保护(OPP)、短路保护(SCP)及电能减弱(Brown-out)等功能，同时其专利放大器技术还可改善输出动态回应。除上述多项功能之外，SG6931还持别提供可调整之PWM最大周期及柔性启动功能。

（1）IAC信号

如图2所，通过一个电阻将IAC管脚连接於SG6931的输入电压端，电流IAC将作为PFC乘法器的输入。IAC的线性范围为0-360uA，输入电压侧应该连接一个1.2M欧的电阻器。

图2 输入电压检测

（2）开关频率及电流源

SG6931的开关频率可以通过RI进行编程，该电阻器连接於RI管脚和GNG之间。具体关系为∶

其中，fPWM的单位为kHz，RI的单位为k欧姆。例如，一个24k欧姆的RI将会产生65kHz的开关频率。因此，恒定的电流It将流经Ri。

IT单位为mA，用以产生内部电流参考。
（3）线路电压检测（VRMS）

图3显示的是一个带有低通滤波功能的阻性除法器，用於VRMS管脚的线路电压检测。VRMS电压PFC乘法器及电能减弱(Brown-out)保护。对於电能减弱(Brown-out)，当VRMS电压下降到0.8V以下时，OPFC将被切断。

图3 VRMS管脚的线路电压检测

（4）绿色模式操作
SG6931使用交替开关模式（interleaved
switching）来同步PFC和PWM进程，这虽然减少了开关噪音，但是却扩大了EMI。图4显示了在关断PFC门驱动及接通PWM之间，插入TOFF时间的情形。

图4 在关断PFC门极驱动及接通PWM之间插入TOFF的情形

当电平FBPWM减小时，TOFF就立即增加。这样一来，PWM开关频率就线性减小，以降低开关消耗。
（5）PFC操作
放大动态PFC的作用是对电源的输入电流进行整形。输入电流的波形和相位将随输入电压的变化而变化。使用SG6931，平均电流模式（average-current-mode）控制功能用以PFC放大器的连续电流模式（average-current-mode）操作。由於电压环路采用独创的多向量控制，电流参考采用了开关式充电乘法器/除法器，因此可以获得具有良好抗噪能力及瞬间回应的输入功率因数。图5是SG6931的平均电流模式控制电路的整个控制环路。

图5 PFC级控制环路

来自开关充电乘法器/除法器的源电流信号计算如下∶

来自IMP管脚的输出电流是IMO和IMR1的总和。IMR1和IMR2一样都是固定的源电流。R2和R3也是一样的。当流过RS的电压相对为负的时候，R2和R3用来拉高IMP和IPFC管脚的工作点。

通过对流经Rs的信号进行差分放大，可以获得比较好的抗噪能力。IEA的输出将与一个内部锯齿波进行比较，这样就可以检测用以PFC的脉冲宽度。通过平均电流模式控制环路，输入电流Is将与Imo的大小成正比。

依照等式(4)，可以得到RS的最小值和RS的最大值，因为IMO是不会超过所规定的最大值的。

确定感应电阻Rs时，有几种不同的考虑因素。Rs的数值应该小以减少电能消耗，但是它又应该足够大以维持一定的清晰度。这里，可以使用一个电流变压器(CT)，以提高大功率转换器的效率。
为了获得非常好的功率因素，VRMS和VEA管脚的电压应该按照等式（5）的要求尽量保持为DC。换句话说，为了获得更好的输入电流波形，建议VRMS管脚应有较好的RC滤波，电压环路的带宽应低(低於线路频率)。
跨导误差放大器的输出阻抗为RO(>90k欧)，输出电容CEA(1uF~10UF)并与地连接(见图6)。这就为电压环路建立了主频f1: 

平均的总输入功率可以表示为:

从等式(6)可以看出，电压误差放大器的输出VEA实际上控制著总的输入功率，并将该功率提供给负载。
（6）多向量误差放大器技术

SG6931的电压误差放大器属於跨导，具有较大的输出阻抗(>90k欧)。电容器CEA(1uF~10UF)连接於VEA和地之间，为电压环路提供主频。尽管PFC级带有一个低带宽电压环路以获得较好的输入功率因数，该创新的多向量错误放大器（Multi-Vector
Error
Amplifier）提供了一个快速的瞬间应变功能，对PFC输出电压的过电压（overshoot）、低电压(undershoot)进行箝位处理。

图6是多向量误差放大器的方框图。当迟返电压的变化超过参考电压的±5%时，跨导误差放大器将调整其输出阻抗，以增加环路回应。如果RA开路，SG6931将立刻关闭，以避免输出电容器上出现过高的电压。

图6 多向量误差放大器

(7)逐级电流限制

SG6931为PFC和PWM提供逐级（cycle-by-cycle）电流限制。图7是PFC级的峰值电流限制原理图。一旦ISENSE管脚的电压值低於VPK，PFC门将停止驱动。

VRMS管脚的电压用以检测VPK电压。VPK和VRMS之间关系如图8所示。
恒定电流IP的幅度通过内部参考电流IT进行检测，具体大小为∶

因此，IS峰值电流由下式确定（VRMS<1.05V）∶

图7 电流限制

(8)开机次序和软启动

只要线路电压高於变弱电压的阈值，SG6931就被启动。一旦SG6931被启动，PFC级将首先被激励。在FBPFC电压超过2.7V以後，PWM级在经过4mS延迟之後启动。在PWM启始阶段，SS管脚将以恒定电流对外部电容器进行充电。在启动阶段，FBPWM脚上的电压将会被SS管脚箝位。当保护情况出现和/或PWM被关闭时，SS管脚将很快被放电。

图8 开机次序

（9）顺向PWM和斜率补偿

PWM级设计用以顺向电源转换器。峰值电流模式控制用以优化系统性能。增加斜率补偿功能的目的是稳定环路的电流。SG6931在每一个开关周期插入了一个同步的正向倾斜信号。该正向倾斜信号由电压信号Vs-comp表示。在这个例子中，倾斜信号的电压是0.55V。

图9 斜率补偿电路

（10）PWM级的最大占空比
内部恒流源来自IMD管脚。在该管脚和地之间连接一个电阻器，将产生电压VMD，并可以用来确定最大占空比。具体计算如下∶
M_DUTY(%)=(VMD-0.2V)/2.9V×100------(9)
在这个例子中，M_DUTY管脚连接了一个31.8k欧的电阻器。当RI=24k欧时，IMD=50uA，这样一来PWM级的最大占空比为48%。其实，SG6931的最大占空比为66%。实际应用中，需要为31.8k欧电阻器并联一个1nF的电容器，以提高稳定性。
（11）功率控制
每当电源的输出短路或超载时，FBPWM管脚的电压就会增加。如果FB脚电压高於所阈值4.2V，并超过95msec，PWM输出将被关掉。
（12）门极驱动
SG6931输出级是一个快速升高的门极驱动器。该输出驱动器通过一个内建的18V齐纳二极体进行箝位，以保护功率MOSFET。
（13）保护功能
SG6931提供有全面的保护功能，以防止电源和负载遭受损坏。这些保护特徵包括∶
（A）PFC回馈过压保护——当PFC回馈电压超过过压阈值时，SG6931将会禁止PFC的信号转变功能。该保护功能也能够在FBPFC管脚开路时，防止PFC电源转换器的非正常操作。
（B）二级PFC过压保护(OVP_PFC)——PFC过压保护时，只要该输入超过3.25V，比较器就会关闭PFC
输出。该管脚可与FBPFC脚连接，或者通过一个除法器网路，将其与PFC放大输出连接。该管脚还为PFC过压保护提供了一个外部输入选项。
（C）PFC回馈低电压保护——只要PFC回馈电压降落到低电压阈值以下，SG6931将会关闭PFC信号转变功能。当FBPFC管脚与地短接时，该功能用以防止PFC电源转换器遭遇非正常情况。
（D）VDD过压保护——一旦VDD电压超过过压阈值，PFC级和PWM级将关闭。
（E）RI脚开路/短路保护——RI脚用来设定开关频率和内部参考电流。一旦RI脚短路或开路，SG6931将关闭。
（14）PCB布线考虑
注意，SG6931有两个接地引脚。布线时应遵循一些良好的高频或射频经验，应避免过长的电路板走线和元器件引线。应将去耦电容器分布在SG6931的旁边。建议在OPFC脚和OPWM脚与MOSFET的门极之间分别串联一个5~20欧电阻器。
将PFC级和PWM级之间的干扰隔离起来也是非常重要的。图10是该电路板布线的一个例子。
其中，地线1从SG6931的GND脚连接到去耦电容器，其阻抗应该越低越好，其走线应该越短越好。
地线2提供信号接地，应直接与去耦电容器CDD，和/或SG6931的GND脚连接。
地线3独立地从去耦电容器连接到PFC输出电容器CO。其中，输出电容器CO的地是电源切换的主要接地参考。为了提供良好的接地参考，减少PFC和PWM级的开关杂讯，接地布线6和7应该尽量靠近，其阻抗应非常低。
IPFC脚通过R3直接连接到RS管脚，以提高杂讯抵抗力(如不小心，就可能将其与地线2连接而出错)。IMP脚和ISENSE脚也应该借助电阻器R2和RP，与另外一个端点RS直接连接。

图10 电路板布线考虑

2、SG6848 PWM晶片
SG6848是崇贸科技推出的电源管理晶片，它采用脉宽调变（PWM）结构，高度整合各种电源管理功能，同时具备数项增强功能，以满足对於低待机能耗及许多电源保护的需求。

在待机模式中，SG6848以减少PWM频率的方式，达到降低能源损耗及稳定输出电压的目的。由於采用Bi-CMOS工艺制造，SG6848不但能够大幅降低起动电源时的能耗，同时也能提高电源转换的效率。以起动电流而言，在一般情况下可降低至5uA；而操作电流则是能达到3mA之低。

图11 SG6848电源管理晶片功能图

在正常的操作状态，SG6848为一定频控制器，其专利Green-Mode省电技术在负载降低时会自动调降PWM的频率，此项特色能大幅减少在零负载或低负载下的电能损耗，如此一来，便能使电源供应器符合电源转换的需求，并朝向零负载时仅消耗0.1瓦的省电目标。独创的同步斜率补偿技术能确保SG6848在电流回路连续模式作业下的稳定性。为了保护外部功率电晶体免於因过高的供给电压而遭受损坏，SG6848的输出电压被箝制在16伏特。
SG6848不但能提供高效能减少电源损耗，同时也能全面降低电源供应系统的生产成本，大幅改善生产良率，提高产品品质，增加产品附加价值。是取代传统线性电源转接器及RCC（Ringing-Choke
Converter）自激式电源结构的最佳选择。
3、SG6515监控晶片
SG6515为高整合监控IC，其全面监控及保护功能可提供电源系统完整的保护，其多项输出保护功能如过高电压、过低电压及超载保护，其他功能特色有内建输入电压快速开关具防锁死功能，及防止远端开关（Remote
ON/OFF）干扰产生错误。

图12 SG6515电源监控晶片功能框图

4、设计实例及系统效能
本文介绍的LCD-TV供应器设计实例以SG6931PFC/PWM组合晶片为核心，待机电路则采用SG6848
PWM晶片，并辅以SG6515监控晶片作为监控电路，具体参见图13。此款LCD-TV供应器设计，由於采用PFC/PWM组合晶片，可大幅精简电源系统设计电路，同时降低外部零件成本，估计总系统材料成本每瓦仅约台币1.5元。

图13 基於SG6931功率因素校正晶片的LCD-TV电源