ML4803用于开关电源设计中的技巧
漳州师范学院高级实验师 张国金rta 飞
ML4803是目前国际上PFC/PWM 复合控制器居领先地位的厂家美国MLCRO-LINEAR（微线性公司）的产品，它是一种体积小、效率高、节省空间的开关电源控制器，用于校正功率因数及控制调节开关电源，只需要很低的启动电流和工作电流。功率因数校正器可使用较小容量和较便宜的高压储能电容器，降低了输电线的负荷及功率开关管MOSFET 的应力，从而使开关稳压电源完全符合IEC1000-3-2的规格。 ML4803的PFC部分使用升压型DC-DC变换器来完成这一任务，变换器输入是全波整流的交流电网电压，在经桥式整流器时没有进行滤波，所以升压变换器的输入电压两倍于电网频率，变化范围从零伏到交流输入的峰值，然后再返回零。通过迫使升压变换器同时满足两个条件，就能确保变换器从供电网流入的电流，能匹配瞬时的电网电压。条件之一是升压变换器的输出电压必须设置在高于电网电压的峰值，常用值是385V DC 。另一条件是变换器应在任何瞬间的电网输入电流，必须与电网电压成比例。ML4803的PFC升压变换拓扑控制模式是电流平均型，所以不需要斜率补偿。 1 ML4803引脚功能简介
一芯片上，仅有8个引出脚，如图1所示。引脚功能如下： PFC OUT和PWM OUT：是大电流功率驱动器，能提供A 1±峰值电流直接驱动
功率MOSFET栅极。当V CC 低于欠压锁定门限电平时，两种输出均自行维持在低电平。 I LIMIT ：该脚接在原边的PWM电流检测电阻器式电流互感器，它为PWM级提供
逐个脉冲电流限制，并为PWM级的电流型控制提供峰值电流型反馈通路。电流斜坡在内部偏移1.2V，然后与光耦反馈电压比较，以设置PWM的占空比。
图1 ML4803引脚图 V EAO ：该脚提供反馈通路，使PFC的输出调节在设定的数值上，它接到PFC输出电压的可调电阻器上，并由反馈补偿网络分流。
I SENSE ：该脚连接电阻器或检测PFC输入电流的互感器上，它相对于IC地电位应该是负极性。它内接逐个脉冲电流限制比较器和电流检测反馈信号。I LIMIT 的跳闸电平是-1V。I SENSE 的反馈信号在
内部倍增乘４，并与内部的斜坡比较，以设置PFC的占空比。降低斜率的升压电感器电流与内部可调斜坡的交点，决定升压的截止时间。
三维打印V CC ：是IC的供电输入引脚。启动电流是150mA。空载时I CC 电流是２mA. V CC 静态电流包括IC偏置电流与PFC和PWM的输出电流。V CC 一般是由隔离升压电感器或PFC线圈的附加绕组产生的，它提供的电压与PFC输出电压成比例。
此外ML4803 还有几种保护特性，这包括软启动，PFC 过电压保护，峰值电流限制和欠压锁定。主要特性如下：
磁卡电表·内同步的PFC 和PWM
·具有先进的输入电流整形技术专利的单管脚电压误差放大器；
·峰值或平均电流持续增加的前沿PFC（输入电流整形技术）；
·高效率的后沿电流模式PWM；
·低供给电流。启动电流典型值0.15mA，工作电流典型值2mA；
·同步的前后沿调制；
·降低在PFC 和PWM 之间存储电容的波纹电流；
·过电压、欠电压锁定和降低输出保护；
2 ML4803基本工作原理
ML4803的内部结构原理如图2所示，主要由单端误差放大电路、前沿PFC 电路和后沿PWM 电路三部分组成。单端误差放大电路主要作用是将PFC 输出的反馈信号通过PFC 关断比较器进行比较处理，然后将处理后的信号送到PFC 控制逻辑电路以保证PFC 输出的稳定，同时还完成过压保护并为PFC 限流比较器提供 参考信号。
前沿PFC电路主要由PFC限流比较器、PFC/PWM欠压锁定保护电路、过压比较器、PFC控制逻辑电路和电压参考电路等组成。主要作用是为整个PFC电路提供稳定的功率因数校正输出，同时完成电路的欠压、过压保护和限流控制。
后沿PWM电路主要由PWM控制逻辑电路、器件软启动电路、直流限流比较器、PWM比较器、振荡器和占空比限制电路等组成。主要完成PWM输出，同时还为整个器件提供PFC和PWM振荡时钟、占空比控制及软启动功能。纯铝酸钙水泥
图2 ML4803内部结构原理图
3 ML4803组成高频开关电源电路
设计手册电路图如图3所示，其中与其他开关电源不同的部分是有源PFC电路，这部分电路如何设计，关系到电源的效率及电磁兼容性。下面就图3如何对有源PFC电路的核心部分的几个关键问题来分析。
3.1 PFC输出电压的确定三相四极插头
ML4803在PFC电路利用了单脚电压误差放大器V EAO。该误差放大器实际上是一个35.0μA电流的换能器，它迫使35.0μA流经输出可调电阻器。V EAO信号的额定电压是5.0V，其中范围在4.0~6.0V。本电路采用单管PFC结构，考虑6%的电压波动（由于温度影响），实际电压范围为352~424V DC，为了减少功率MOS FET管Q2、Q5的应力，并降低PFC输出电容的耐压值，升压输出电压根据实验实际取下限值375V DC，375×（1±6%）=375±22.5V DC，最大值小于400V DC，实际R P= R12+R13≈10.6MΩ。
3.2 PFC升压电感器L2
升压电感器的数值必须保证在电网低电压时，让脉动电流值被限制在峰值输入电流的20%左右。使得
电路工作在连续状态，因为在导通脉冲的后沿端，可按足够的斜坡斜率来断开过流比较器。本机的功率为300W，
当电感值L2取911μH时，在输入电压下限降到90V时，输入电路产生自激，输入电流迅速增加并对外部造成辐射干扰。通过测量PFC的输出电路波形，发现电路实际工作在非连续状态，取L2=980μH，使输入电压降到85V，满功率时能正常工作。实际测量输入电压的下限为80V。
3.3 PFC输出电容器
在选择输出电容器时的主要考虑是：即使交流电网电压在每个周期都会降低输出，它仍然能在输出端持续调节输出电压、并提供充分的维持时间。升压输出端的电压所允许的降低值，是受最大脉宽调制占空比和主功率变压器的绕组匝数比限制。其中V1为PFC输出电压，V2为保持电压。
（5）
图3 ML4803组成开关电源手册原理图
根据设计手册设计的电路有如下缺点：电路复杂，占用空间大，自身功耗大，会发热，效率低，对滤波电流要求太高，C1用450V经常会炸毁，同时对升压管Q2、Q5要求也高（Q2、Q5要求耐压高），包括ML4803也容易击穿。为此本人在原电路基础上做了如下改进。
4 电路的改进
①用于原电路PFC的双驱动功率MOS管Q2、Q5的IRF840改为单管驱动，采用V-MOS管2SK2611或2SK1358（根据功率不同选择）。V-MOS场效应晶体管与MOS场效应晶体管不同，其主要结构特点是具有V型槽，它不仅保留了传统MOS场效应晶体管固有优点，而且还具有耐压能力强、电流容量大、跨导的线性好、开关速度快等特点。
②用于原电路PWM的双管驱动功率MOS管Q3、Q4的IRF840也改为单管驱动，采用超低栅极电荷管IRF460LC 或IRFPS37N50A（也是根据功率不同选择）。IRF460LC利用先进的HEXFET技术，达到重要的更低栅极电荷，提高了栅源电压等极V GS=30V，额定适用的重复雪崩能量，它超过了原有的MOSFET管，该器件允许简化栅极驱动要求，有更快的开关速度，并增加了总的系统节能。RFPS37N50A是继IRF460LC之后又一个技术革新，它的漏极电压也是500V，但导通电阻从原来0.27Ω降到0.13Ω，在25℃时的工作电流由原20A升到36A，在100℃时的工作电流由原来的12A升到2
3A，它把高频开关电源的通态功耗降低了30%。学生证制作
③升压二极管原电路使用快恢复二极管要改用超快软恢复二极管（如MUR860、ISL9R860等），复快时间为50ns以内。因为快恢复管恢复时间太慢，会发热，效率低，特别在低电压（输入电压100V）时。
④原升压电路的升压值是400V，这样对滤波电容要求太高，C1用耐压450V电容经常会炸毁，同时Q2、Q5 、Q3、Q4要求也高，且电路复杂，占用空间大，自身功耗大，所以将其降为370~375V左右。
⑤改进后的电路如图4所示。从图4可以看出电路简单，元器件少，体积小。实践表明，不仅获得了稳定的直流输出, 而且实现了功率因数校正，能够在宽输入电压范围内正常工作，系统的可靠性高，自身功耗小，有较高的推广应用价值。
图4 ML4803组成开关电源实际原理图
5 PCB 布线时应注意的事项
ML4803组成开关电源PCB 顶图和底图如图5、6所示，由于负载电路或功率驱动电路的电场、电压较高，功率地线上干扰较大，因此功率地线必须与其它弱电地线分别设置，以保证整个系统稳定可靠的工作。布线时，高频数字信号线要用短线，主要信号线最好集中在PCB 板中心，同时电源线尽可能远离高频数字信号线或用地线隔开。根据印制板的安装方式，把易发热的元器件如滤波电感、功率开关器件、变压器等安装在印制板的上方部位，以利于散热，而热敏元件则应远离发热元件。相邻的两条平行导线之间的分布参数可等效为相互耦合的电感和电容，这些等效的电感和电容为两条线路之间的干扰创造了条件，因此，应当避免过长的平行走线，在走线时线宽不要突变，也不要突然拐角和环形走线，拐角应尽量采取圆角，因为在高频和高压下，直角和锐角会影响其电气性能。
尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰，易受干扰的元器件不能相互挨得太近，输入和输出元件应尽量远离。每个集成电路要设一个高频去耦电容，每个电解电容边上都要加一个小的高频旁路电容。在布线时，使开关管的漏极连线尽量短、粗，以减小导线的寄生电感，选择合适的滤高频电容（CBB 电容），并使其尽量靠近MOSFET 的漏极，电容引线尽量短，以减小导线电感，要确保每一个大电流的接地端采用尽量短而宽的印制线，尽量加宽电源、地线宽度。
图5 ML4803组成开关电源PCB 顶图
图6 ML4803组成开关电源PCB底图
