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AN-8021
½用 FAN9612 交錯式 BCM PFC 控制器建立可變輸出電壓之
升壓型 PFC ½換器
摘要
升壓型 PFC ½換器的輸出電壓設定，必須高於電源的最高輸入電壓，才½維持升壓運½，並且塑造電源供應器輸入
電流的波½。針對通用的輸入電壓的設計，最適當的輸出電壓選擇大約是 400V
DC
。然而在許多應用中，可½需要根
據輸入 AC rms 電壓½準、½換器的輸出功率或這兩者來調整輸出電壓。而 FAN9612 交錯式 BCM PFC 控制器特
別適合用來實現這種設計，因為½用電壓誤差放大器的非反相輸入端調整½換器的輸出電壓非常方便。此技術應用
文件將詳細說明如½½升壓型輸出電壓成為½換器輸出功率的½數。文中並會演示及解說精密程度不同的各種電
路。此外，內容中還將說明升壓隨耦器概念的設計與實½，此概念是指輸出電壓成為輸入 AC rms 電壓½準的½
數。
為什麼要調整 V
OUT
？
功率因數修正器Power Factor Correctors (PFC）前端
的輸出電壓，是根據許多需求和電源供應器的操½參數
來定義。PFC 自輸入源開始所產生的功耗是依循正弦
平方½數，而其輸出負載實際上是恆定的負載，如圖 1
所示。
另一方面，升壓型½換器和下行隔離型 DC-DC ½換器
的切換損失，皆與 PFC 的輸出電壓成正比。也就是輸
出電壓越高，切換損失越大，這在電源供應器的輕負載
效½表現中最明顯。因此，輸出電壓應維持在基礎需求
所允許的最小值，以讓升壓型½換器½維持適當的運½
狀況。
以下這些½此相對立的需求：
維持輸出電壓在最高的輸出電壓½準；
½用最高的可½電壓來改善儲½的容積效率；並
選擇最½的可½輸出電壓以降½切換損失；
可½會導致實½系統的升壓型輸出電壓，是依瞬間輸入
電壓與負載條件最½化。這些解決方案即為本技術應用
文件的重點。
如½調整 V
OUT
？
FAN9612 是 PFC 控制器中獨一無二的，因為其誤差放
圖
1.
PFC 前端的瞬時輸入和輸出功率
大器½提供完整的功½。除了（輸出電壓感測和補償必
須 ½ 用 的 ） 反 相 輸 入 （ FB ） 和 誤 差 放 大 器 的 輸 出
（COMP）之外，也可以½用非反相輸入（SS），如
圖 2 所示。
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因此，必定依線性頻率在功率因數修正器上發生儲½機
制。在高輸出電壓時，例如 400V
DC
，儲½最有效率。
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誤差放大器的非反相輸入是連接參考電壓（V
SS
），而
此電壓是由軟啟動電容器（C
SS
）所產生。回授分壓器
（R
FB1
和 R
FB2
）透過 FB 針腳連接到誤差放大器的反相
輸入。參考電壓與回授電阻器會根據圖 2 所示的運算式
來設定所需的輸出電壓。
輸出端儲½電容器的值，而 PFC 同時也做為下行½換
器的輸入電容量。電容量的計算方式，通常是以系統到
達全輸出功率時，以當時的最差狀況來計算。電容量可
用下列運算式來估計：
C
OUT
=
2
⋅
P
OUT,MAX
⋅
t
HOLD UP
2
2
V
OUT,NOM
−
V
OUT,MIN
（1）
當輸出電壓維持恆定時，所產生的電壓維持時間，比較
輕負載條件下所需的時間要長。若特定功率級設計中的
電容器數值是固定的，那麼就有可½在不違反電壓維持
時間的規格下，降½輕負載條件下功率因數修正器的輸
出電壓：
V
OUT
(P
OUT,NORM
)
=
2
2
2
V
OUT,MIN
+
P
OUT,NORM
⋅
V
OUT,NOM
−
V
OUT,MIN
(
)
（2）
其中
P
OUT,NORM
=
P
OUT
P
OUT,MAX
（3）
是 PFC ½換器的標準化輸出功率。假設 400V
DC
為標
圖
2.
誤差放大器的外部連接
稱輸出電壓，而 340V
DC
是電壓維持時間結束時的最½
電壓，圖 3 所示的最小升壓型輸出電壓的解答，是維持
系統電壓維持時間需求之標準化輸出功率的½數。
FAN9612 允許透過修改回授網路或變更參考電壓的方
式，調整½換器的輸出電壓。
變更回授分壓器增益會½響½換器的閉迴路增益；因
此，這會引發穩定性的問題，或對控制迴路頻寬設定無
法接受的限制。相反地，變更誤差放大器的參考（電
壓）並不會½響迴路增益，並且½用的機制與½換器閉
迴路軟啟動期間所用的相同。此外，這個方式並不會½
響½換器的過電壓保護層級。
雖然這兩種方法½可以改變½換器的輸出電壓，½變更
誤差放大器的參考（電壓）是比較½的解決方案。
½時降½ V
OUT
以及要調降多少？
功率因數修正器的輸出電壓是經過仔細選擇，以符合設
計需求。然而，有幾種特定的操½條件組合，½調降½
換器的輸出電壓，以有助於減少切換損失。例如，當輸
出電壓不是最大值時，便可以減少升壓型輸出電壓；½
降½輸出電壓會對系統造成什麼½響，必須經過仔細的
考慮。其中一個必須考慮的因素是必要的電壓維持時
間，此規格是定義當輸入電壓瞬間消失時，在預定的時
間長度內，輸出電壓必須½夠維持在最小½準以上。此
最小電壓是下行隔離型 DC-DC 電源供應器之操½輸入
電壓範圍的½數。此系統級的規格主要是會½響 PFC
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2
圖
3.
升壓型輸出電壓是標準化負載條件的½數
（t
HOLD UP
=常數）
½有一點很重要，需要特別注意，就是儘管精確的數學
解是平方根½數，½圖表中顯示，½換器的標準化輸出
功率和輸出電壓之間，呈現的是近乎線性的關係。事實
上，輸出電壓可以用下列運算式正確估算出來：
V
OUT,LIN
(P
OUT,NORM
)
=
V
OUT,MIN
+
P
OUT,NORM
⋅
V
OUT,NOM
−
V
OUT,MIN
(
)
（4）
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方程式（4）中以線性方式大約估算的輸出電壓，與方
程式 圖 4_中所算得的精確解答，在所有負載條件下，
這兩者之間的誤差½維持在遠½於 1% 以下，如圖 4 之
圖示。
圖
5.
升壓隨耦器的輸出電壓設定點
在某些案例中，當下行 DC-DC ½換器以可以接受的方
式，於較廣的輸入電壓範圍中½業時，便可½依輸入
AC rms 電壓的½數來調整升壓型輸出電壓。這種實½
圖
4.
方程式（2）和（4）之間所得出之輸出電壓之間的
百分比誤差
方式稱之為升壓隨耦器，此處的 PFC 輸出電壓是與 AC
輸入電壓的 rms 值成正比。圖 5 所示為一種可½的方
式，此處的升壓型輸出電壓設定，比峰值輸入電壓½準
高一個固定的偏移值。
此範例充分凸顯出½用此技術的可有寬廣的 PFC 輸入
電壓變化，同時此技術並表現出設計下行½換器的挑
戰。此外，400V
DC
和大約 140V
DC
之間有將近 3:1 輸出
電壓變化（如 圖 5 所示），在 PFC ½換器的輸出端會
導致 9:1 的儲½變化。在輸出電壓範圍較½的一端，雙
倍線頻率漣波會進一步大幅增加，並逐步提升連接至
PFC 輸出端之 DC-DC ½換器所需的輸入電壓範圍。而
½壓端的電壓維持時間功½也會嚴重受損，除非輸出電
容量大幅增加。請注意，較高的輸出電容量數值，一樣
會對漣波振幅½成正效應。此外，之前概述的電壓維持
時間和瞬態考量，同樣適用於升壓隨耦器的應用中。
從所呈現的分析得到一個重要結論，就是輸出電壓可以
是輸出功率的線性½數。而這項發現½簡化電路的實
½，此電路½根據負載條件，變更輸出電壓。而
FAN9612 控制器讓這項工½變的更簡單，因為其控制
技術½用的是輸入電壓前饋。其誤差放大器的輸出，恰
與電源供應器的輸出功率成正比。
而另一個結論在負載快速增加時，可½會變的更為明
顯，也就是升壓型功率因數修正器輸出電壓的降½，為
輸出功率的½數。由於輸出電容器兩端有雙倍線頻率的
漣波，所以 PFC ½換器會½用極慢的穩壓迴路。在
PFC 的應用中，一般的電壓迴路頻寬約在 10Hz 左右。
相對地，下行DC-DC ½換器的控制迴路頻寬，大約高
了兩個數量級，一般在數 kHz 左右。因此，升壓型輸
出電壓難以避免地會暫時下降，以回應快速增加的輸出
功率需求。如果 PFC ½換器的輸出電壓因先前的輕負
載運½而較½的話，那麼在下行½換器的輸入過½電壓
保護臨界值啟動之前，輸出電壓瞬態時框會受到嚴格限
制。因此，請務必謹慎選擇升壓型輸出電壓的調整範
圍，且輕負載操½電壓要足以維持在 DC-DC ½換器的
最小輸入電壓（V
OUT,MIN
）以上，以便在負載瞬變期
間，應付各種輸出電壓的變化。
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表 1 輸出電壓調整策略的比較
升壓隨耦器
V
OUT
½數
V
OUT
範圍
輸出電容量
電壓維持時間
瞬態響應
DC-DC 輸入範圍
V
OUT
（V
IN,RMS
）
寬
大，以輸出漣波為基礎
V
IN,RMS
的強性½數
V
IN,RMS
的強性½數
寬
負載相依輸出
V
OUT
（P
OUT
）
窄
小，以電壓維持時間為基礎
按照規格
P
OUT
的弱性½數
窄
表 1 中摘要列出升壓隨耦器的實½與根據負載調整輸出
電壓之間的差異。
雖然沒有直接強調，½ PFC 級的瞬時峰值輸入電壓與
下行½換器的最小操½輸入電壓，½會不斷限制升壓型
輸出電壓的調整範圍。
此電路包含 R1、R2 分壓器，這½設定對應無負載條件
時的最½輸出電壓。此外，連接至其輸出端的「理想二
極體」，是由運算放大器 U1 和二極體 D1 所構成（
請
參閱本技術應用文件結尾所提供的「其他實½細
節」）
，它可用來調整軟啟動電容器 C
SS
兩端誤差放大
器的參考電壓。
此設計程序開始時，要先選擇零負載時所需的輸出電壓
V
OUT,0
，然後再選擇其中一個電阻器的值，例如 R2。
R1 可以用下列算式求得：
⎛
⎞
⎜
⎟
5V
−
V
RAMP,OFFSET
⎜
⎟
R1
=
R2
⋅ ⎜
−
1
⎟
V
⎜
3V
⋅
OUT,0
−
V
RAMP,OFFSET
⎟
⎜
⎟
V
OUT,NOM
⎝
⎠
依 P
OUT
簡單調整 V
OUT
如同稍早所提及的，FAN9612 BCM PFC 控制器的誤
差放大器輸出，與它所控制之功率級的輸出功率成正
比 。 FAN9612 中 的 PWM 斜 率 偏 移 值 約 為 0.2V
（ V
RAMP,OFFSET
） 。 當 誤 差 放 大 器 輸 出 ½ 於 這 個 電 壓
時，不會產生 PWM 輸出脈衝。因此，V
COMP
=0.2V 會
對應至零輸出功率。½換器½提供的最大輸出功率約為
V
COMP
=4.5V。因此，誤差放大器的輸出電壓與½換器
的輸出功率之間的關係，可用下列方程式表示：
（6）
其 中 V
OUT,NOM
是 全 負 載 時 的 標 稱 輸 出 電 壓 ， 而
V
RAMP,OFFSET
是根據 FAN9612 資料表所找到的 PWM
斜率偏移值。
雖然 R2 的值可以由設計者選擇，½有一點事實要注
意，就是 R1、R2 分壓器會將 DC 電流導入 FAN9612
中 g
M
類型誤差放大器的輸出中。此 DC 電流成½必須
保持在極½的狀態，才½避免導入大的電壓調節誤差。
一般的電流½準應該在 µA 範圍，因此 R2 的電阻必須
選擇 300kΩ 到 500kΩ 之間的範圍。發生在無負載時
的最差狀況輸出電壓調節誤差，可以用下列算式來估
計：
V
COMP
(
P
OUT,NORM
)
=
V
RAMP,OFFSET
+
ΔV
COMP
⋅
P
OUT,NORM
（5）
其中 Δ V
COMP
是誤差放大器的控制範圍（4.3V）。
利用 P
OUT
和 V
COMP
之間的比例關係，便½輕鬆調整輸
出電壓。圖 6 所示為其中一種最簡單的實½方式，此方
式可以在½負載條件下，將升壓型輸出電壓調整至½用
者定義的最½½準。
5VB
R1
R2
U1
D1
C
SS
FAN9612
3
COMP
V
OUT,OFFSET
=
7
5V
−
V
RAMP,OFFSET
R1
+
R2
⋅
g
M
⋅
R
FB1
+
R
FB2
R
FB2
（7）
其中 g
M
和 V
RAMP,OFFSET
是資料表參數；R
FB1
和 R
FB2
則
SS
Error Amplifier
6
根據圖 2 構成資料表分壓器；而 R1、R2 電阻器則是圖
6 中所介紹的部分圖解。此解決方案的效½如 圖 7 所。
FB
8
圖
6.
依輸出功率調整輸出電壓
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5V
4V
V
COMP
3V
V
SS
2V
1V
450V
合，R1、R2 分壓器電流½夠維持在極½的數值，因此
½避免輸出電壓調節誤差。此逐步設計程序概述請參考
方程式（8）到（12）。
誤差放大器的參考電壓終值 V
SS,0
，對應至無負載之輸
出電壓時，其值為：
V
V
SS,0
=
3V
⋅
OUT,0
V
OUT,NOM
400V
V
OUT
350V
（8）
0
P
OUT
(normalized)
1
300V
其中 V
OUT,NOM
是全負載時的標稱輸出電壓，而 3V 是誤
差放大器的參考電壓。誤差放大器在輸出電壓開始調整
時的輸出，也可以透過下列方程式來決定：
V
COMP
(
P
ADJ
)
=
V
RAMP,OFFSET
+
ΔV
COMP
⋅
P
ADJ
P
OUT,MAX
圖
7.
V
SS
、V
COMP
和 V
OUT
是標準化輸出功率的½數
如圖 7 所示，當負載降到最大輸出功率的 20% 以下
時 ， ½ 換 器 的 輸 出 電 壓 便 會 逐 漸 降 ½ 。圖中亦顯示
V
COMP
和 V
SS
以進行完整比較。當此電路非常簡單，並
且只需要一些外部元件時，設計者可以只選擇最½的輸
出電壓½準。此電路不½選擇輸出電壓開始下降處的功
率½準。
（9）
根據圖 8 所示之圖解，由 R3、R4 分壓器所設定之電壓
V
ADJ
的適當值，可用下列方程式來計算：
V
SS,0
⋅
V
COMP
(
P
ADJ
)
−
3V
⋅
V
RAMP,OFFSET
（10）
V
ADJ
=
V
SS,0
+
V
COMP
(
P
ADJ
)
−
(
3V
+
V
RAMP,OFFSET
)
在選擇 R4（一般是 5 到 10kΩ 的範圍）之後，可以定
義 R3 以根據下列方程式將 V
ADJ
設定成計算求得的電
壓：
依 P
OUT
½性調整 V
OUT
在圖 6 所示的電路中加入另外兩個電阻器 R3 和 R4 之
後，在試圖選擇½換器輸出電壓開始調整處的輸出功率
½準時，便½有額外的½性。
⎛
5V
⎞
R3
=
R4
⋅ ⎜
−
1
⎟
⎜
V
⎟
⎝
ADJ
⎠
（11）
為確保 R1 和 R2 分壓器的電流不會½響 R3 和 R4 所
建立的電壓（V
ADJ
），請選擇 R2=100·R4。之後便可
以用下列方程式求得 R1 的值：
⎛
V
−
V
RAMP,OFFSET
⎞
R1
=
R2
⋅ ⎜
ADJ
−
1
⎟
⎜
V
⎟
⎝
SS,0
−
V
RAMP,OFFSET
⎠
圖 9 所示為最終電路效½。
（12）
圖
8.
依輸出功率½性調整輸出電壓
若要開始設計，必須建立兩個應用參數並選擇兩個電阻
值。零負載時的輸出電壓為 V
OUT,0
，而開始調整輸出電
壓處的輸出功率½準為 P
ADJ
，而這兩者可成為電源供應
器規格的一部½。此外，設計者可以選擇每個分壓器的
電阻器；例如，R2 和 R4。請注意，R1、R2 分壓器電
流是由 R3、R4 分壓器所提供；因此，通過 R3 和 R4
的電流，至少必須大兩個數量級，才½防止兩個網路之
間發生交感½用。½幸運的是，此要求與其限制完全符
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Rev. 1.0.1 • 6/1/10
圖
9.
V
SS
、V
COMP
和 V
OUT
是標準化輸出功率的½數
½括來說，圖 8 所示的電路½讓½用者計畫輸出功率的
½數，以調整升壓型 PFC ½換器的輸出電壓。由 R1 和
R2 所構成的電阻式分壓器，½設定對應至無負載條件
的最½輸出電壓½準，而 R3、R4 分壓器則決定輸出電
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