大幅優(yōu)化離線電源輕載能效的創(chuàng)新PFC控制方案

如今，電源設(shè)計(jì)人員面臨著諸多挑戰(zhàn)，既要達(dá)到更高的能效目標(biāo)，又要滿足加快產(chǎn)品上市的要求。就實(shí)現(xiàn)更高能效目標(biāo)而言，電源設(shè)計(jì)不僅要顧及滿載能效，而且需要評估10%、20%、50%及75%負(fù)載等條件下的能效。電源設(shè)計(jì)人員還要面對其它不少挑戰(zhàn)如新電源可能更易于滋生可聽噪聲、須增強(qiáng)可靠性及安全性及加快上市進(jìn)程并縮短安全認(rèn)證時間等。

應(yīng)對高能效挑戰(zhàn)的安森美半導(dǎo)體創(chuàng)新PFC方案

安森美半導(dǎo)體身為全球領(lǐng)先的高性能、高能效硅方案供應(yīng)商，持續(xù)開發(fā)創(chuàng)新技術(shù)及產(chǎn)品，為市場提供豐富的電源半導(dǎo)體方案，其中就包括強(qiáng)大的PFC產(chǎn)品陣容及后續(xù)產(chǎn)品(圖1)，使電源設(shè)計(jì)人員能夠不斷地開發(fā)高能效的電源方案。其中，安森美半導(dǎo)體最新推出的NCP1611 PFC控制器采用創(chuàng)新的電流控制頻率反走(Current Controlled Frequency Foldback，CCFF)方法驅(qū)動PFC升壓級，功率因數(shù)接近1，高驅(qū)動能力為-500 mA / +800 mA，Vcc范圍從9.5 V到35 V，具有非閉鎖和過壓保護(hù)、電壓檢測、軟起動和過流限制等功能。

圖1：安森美半導(dǎo)體的PFC產(chǎn)品陣容。

NCP1611有源功率因數(shù)校正(PFC)控制器適用于AC-DC適配器、平板電視及照明鎮(zhèn)流器及其它中功率離線應(yīng)用的升壓預(yù)轉(zhuǎn)換器。該控制器采用正待批專利的CCFF架構(gòu)。在這種模式下，當(dāng)電感電流超過可編程值時，電路運(yùn)行在CrM模式下。當(dāng)電流低于這個預(yù)設(shè)水平，電流為零(null)時，NCP1611可線性降低頻率至大約20 kHz。CCFF可最大限度提高額定負(fù)載和輕負(fù)載效率。特別是，可將待機(jī)損耗減少到最低限度。該控制器具有一系列強(qiáng)大的保護(hù)功能，可妥善處理各種電源工作和故障條件。NCP1611拓展了傳統(tǒng)CrM PFC控制器的優(yōu)勢。圖2是NCP1611典型應(yīng)用電路圖。

圖2：NCP1611典型應(yīng)用電路圖。

作為增強(qiáng)型PFC控制器，NCP1611采用電流控制頻率反走CrM模式及跳周期模式，可優(yōu)化整個負(fù)載范圍內(nèi)的效率，實(shí)現(xiàn)更好的輕負(fù)載效率，以及非常強(qiáng)大的安全特性。

NCP1611獨(dú)特的關(guān)鍵特性包括：動態(tài)響應(yīng)增強(qiáng)器用于提供快速的線路/負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)；寬Vcc范圍最高達(dá)35 V，帶門電壓鉗位功能；啟動電流典型值為20 ?A，最高50 ?A(A版本Vcc啟動電壓10.5 V；B版本為17 V)；線路范圍檢測功能調(diào)節(jié)及優(yōu)化環(huán)路增益；A版本提供軟啟動功能，B版本能使用較小Vcc電容，易于啟動；谷底導(dǎo)通功能利于提供最佳能效及產(chǎn)生極低電磁干擾(EMI)。

在安全性方面，NCP1611具有Vcc欠壓鎖定(UVLO)及線路輸入欠壓(BO)保護(hù)；在電感飽和或旁路二極管短路條件下提供過流保護(hù)(OCP)；輸出過壓保護(hù)(軟OVP及快速OVP)及欠壓保護(hù)(UVP)；反饋開路關(guān)閉及接地開路故障監(jiān)控；以及過熱關(guān)閉。圖3所示是NCP1611的穩(wěn)壓工作情況。

圖3：NCP1611的穩(wěn)壓工作。

此外，NCP1611還具有其它特性，如快速負(fù)載瞬態(tài)特性、最大Vcc為35 V的內(nèi)部14 V門電壓鉗位、順利啟動運(yùn)行軟啟動（A版）、強(qiáng)大的開路和引腳短路保護(hù)、熱關(guān)斷等。NCP1611還可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓工作，輕易解決開路及短路引腳故障，提升安全性；即使是在接地引腳開路的條件下該元件也可受到保護(hù)。

由于具備了上述優(yōu)異的特性，NCP1611的市場及應(yīng)用主要涵蓋大型平板電視、電腦電源、高功率適配器、LED照明和鎮(zhèn)流器，以及功率大于300 W的PFC應(yīng)用。

CCFF架構(gòu)詳解及與CrM架構(gòu)比較

如圖4所示，安森美半導(dǎo)體開發(fā)的CCFF架構(gòu)的定時器僅控制死區(qū)時間，利用定時器對應(yīng)電流電平調(diào)節(jié)死區(qū)時間，反走頻率限制為>20 kHz，具有市場上領(lǐng)先的性能。

圖4：電流控制頻率反走(CCFF)架構(gòu)。

具體講，CCFF架構(gòu)具有固定導(dǎo)通時間控制和頻率反走特性。在大電流時，電路以臨界導(dǎo)電模式工作。小電流時(重負(fù)載時接近線路過零點(diǎn)，輕載時位于全部正弦方波)，因此，磁芯復(fù)位后下一個周期并不會立即啟動；相反，定時器開始調(diào)節(jié)死區(qū)時間；電流越小，定時器持續(xù)時間(死區(qū)時間)越長；定時器持續(xù)時間取決于大??；定時器僅控制死區(qū)時間(不控制開關(guān)周期/關(guān)閉時間)。由于死區(qū)時間不受電流周期時長變化的影響，因此可以毫不猶豫地進(jìn)行谷底導(dǎo)通。

圖5：演示板能效比較(紅色：帶跳周期模式的CCFF；綠色：關(guān)閉跳周期功能的CCFF；紫色：CrM)

采用CCFF控制架構(gòu)，最大的好處莫過于提升能效。采用傳統(tǒng)CrM(臨界導(dǎo)電模式)/BCM(邊界線導(dǎo)電模式)，在負(fù)載降低時，開關(guān)頻率上升；負(fù)載極低時，控制器可能進(jìn)入“跳周期模式”，滋生可聽噪聲。而采用CCFF控制架構(gòu)，可以在負(fù)載降低時降低開關(guān)頻率，減小功率損耗；在輕載時，控制器可以鉗位高于可聽噪聲頻段的較低頻率；負(fù)載極低時，則采用跳周期模式工作(可以輕易關(guān)閉)。因此，這種谷底導(dǎo)通可進(jìn)一步提升能效，減小電磁干擾。圖5比較了基于NCP1611CCFF PFC及傳統(tǒng)CrM PFC在不同負(fù)載條件下的能效。由圖中可見，在10%輕載條件下，基于帶跳周期模式的NCP1611的演示板的能效高達(dá)近97%(關(guān)閉跳周期模式下也達(dá)近96%)，而基于傳統(tǒng)CrM架構(gòu)的演示板能效僅為近87%，相關(guān)近10%。可見NCP1611在提升電源輕載能效方面表現(xiàn)尤為優(yōu)異。

小結(jié)：

NCP1611 PFC控制器采用新穎及正待批專利的控制技術(shù)——電流控制頻率反走，以臨界導(dǎo)電模式/不連續(xù)導(dǎo)電模式(DCM)工作，并帶有谷底開關(guān)，可在寬工作電源范圍下提供極佳能效，在寬負(fù)載范圍下可提供高功率因數(shù)及良好的總諧波失真(THD)性能。這種新穎的PFC控制器與傳統(tǒng)CrM PFC控制器相比，具有更高的故障處理能力、更佳的瞬態(tài)響應(yīng)，可靈活支持不同偏置情形。值得一提的是，NCP1611 PFC控制器專門進(jìn)行了優(yōu)化，尤其適合平板電視、電源適配器、高能效計(jì)算機(jī)電源及LED驅(qū)動器電源等應(yīng)用。