計(jì)算機(jī)、服務(wù)器及平板電視向來是能效規(guī)范機(jī)構(gòu)的重要目標(biāo),,這些設(shè)備必須在滿足高性能的同時(shí)符合最新能效要求,。安森美半導(dǎo)體身為領(lǐng)先廠商,一直致力于推出符合最新能效規(guī)范的電源控制器。本文將介紹安森美半導(dǎo)體應(yīng)用于計(jì)算機(jī)ATX電源及平板電視的高能效、高性能功率因數(shù)校正(PFC)及半橋諧振雙電感加單電容(LLC)組合控制器NCP1910的主要特性及電源段的應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn),幫助工程師更好地采用NCP1910進(jìn)行相關(guān)的電源設(shè)計(jì),。
現(xiàn)有方案及存在的問題
用于上述電源設(shè)計(jì)的現(xiàn)有方案存在的最大問題是元器件數(shù)量太多,首先必須要有帶主電源輸入欠壓(LBO)保護(hù)功能的PFC控制器,,還要有帶輸入欠壓(BO)保護(hù)及閂鎖功能的LLC控制器,;用于處理“功率良好”(PG)信號的比較器,以及用于感測的額外電路也必不可少,。此外,,為了實(shí)現(xiàn)次級端過壓保護(hù)(OVP),需要可控硅整流器(SCR),、比較器及感測電路,;為了提供LLC短路保護(hù)(SCP)并兼顧PFC工作異常狀況,還需要其他一些元件,。如果能在一個(gè)單芯片中結(jié)合所有功能,,實(shí)現(xiàn)一種組合控制器就可以使這些問題迎刃而解。
高性能CCM PFC及LLC組合控制器的優(yōu)勢
安森美半導(dǎo)體推出的NCP1910在單芯片中結(jié)合了PFC和LLC控制器,,集成了這兩個(gè)轉(zhuǎn)換器所需的全部信號交換(handshaking)功能,,既可提高可靠性,又可支持更簡單,、更高密度的設(shè)計(jì),。NCP1910采用SOIC-24封裝,適用于高功率的ATX,、一體機(jī)(all-in-one)及服務(wù)器,、平板電視電源,。
圖1是采用NCP1910的典型應(yīng)用電路圖共用電路,它包括遠(yuǎn)程PFC段,、LLC段,,以及實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通/關(guān)閉、功率良好(PG)等的共用電路,。
圖1:采用NCP1910的典型應(yīng)用電路圖
PFC段具有以下一些特性:
•固定頻率連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM) PFC可提供65kHz,100 kHz,、133 kHz及200 kHz選擇;
•可編程過流閾值提供優(yōu)化的感測電阻,;
•過功率限制可根據(jù)平均輸入電壓限制電流,;
•PFC異常保護(hù),可以在出現(xiàn)PFC異常的情況下,,器件停止工作,即使輸入為高線路電壓,;
•欠壓保護(hù)可避免反饋網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)錯(cuò)誤連接的情況下受損,;
•快速瞬態(tài)響應(yīng)旨在維持Vbulk穩(wěn)壓:
--過壓保護(hù)可自動(dòng)恢復(fù)OVP閾值(穩(wěn)壓電平的105%);
--動(dòng)態(tài)響應(yīng)增強(qiáng)器可在Vbulk降至低于其穩(wěn)壓電平的95%時(shí),,使用其內(nèi)部200 µA電流源來加快穩(wěn)壓環(huán)路速度,;
•冗余OVP(OVP2)使用專用引腳來閂鎖Vbulk OVP;
•可調(diào)節(jié)線路輸入欠壓帶50 ms消隱時(shí)間(blank time),,避免在低輸入電壓時(shí)受損,;
•Vin2前饋可優(yōu)化功率因數(shù);
•Power Boost可在極端線路瞬態(tài)條件下調(diào)節(jié)Vbulk(如264 Vac→90 Vac),;
•可調(diào)節(jié)頻率反走提升輕載能效,;
•軟啟動(dòng);
•圖騰柱(Totem Pole)驅(qū)動(dòng)能力為±1.0 A門驅(qū)動(dòng)器,。
LLC段具有以下一些特性:
•25 kHz至500 kHz的寬工作頻率范圍,;
•板上固定死區(qū)時(shí)間為300 ns,可避免shot-through,;
•在軟啟動(dòng)或重啟時(shí),,專用引腳將SS電容放電至地,從而提供平順的輸出電壓上升,;在LLC被CS/FF引腳(> 1V)或BO功能關(guān)閉時(shí),,SS引腳給CSS放電,并提供純粹的軟啟動(dòng),;
•高壓驅(qū)動(dòng)器門驅(qū)動(dòng)器為+ 0.5 A -1.0 A,;
•雙故障保護(hù)電平位于CS/FF引腳:
--CS/FF > 1 V:LLC轉(zhuǎn)換器立即通過將CSS接地來增加開關(guān)頻率。這是一種自動(dòng)恢復(fù)保護(hù)模式,;
--CS/FF > 1.5 V:當(dāng)故障嚴(yán)重并使CS/FF高于1.5 V時(shí)閂鎖,;
•可調(diào)節(jié)輸入欠壓(BO),,F(xiàn)B 引腳電壓占Vbulk的一部分,不需要高壓感測軌,,可以省電,;
•NCP1910B有跳周期工作功能,當(dāng)反饋腳電壓低于0.4 V時(shí),,LLC驅(qū)動(dòng)器進(jìn)入跳周期模式,,降低頻率,提升輕載能效,。
簡便的設(shè)計(jì)方法
使用NCP1910進(jìn)行設(shè)計(jì)過程非常簡單,,只要三步即可完成,如圖2所示,。第一步是設(shè)計(jì)PFC段,,第二步是設(shè)計(jì)LLC段,第三步是設(shè)計(jì)信號交換部分,。
電路中的BO及PG電平是由R1,、R2、R3決定的,,無須感測高壓,。BO電平在Vbulk電平(如300 V,取決于電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求)時(shí)使LLC停止工作,;PG電平在Vbulk電平時(shí),,器件通知次級端監(jiān)控電路,產(chǎn)生功率故障(Power Fail)信號,;在PFC頻率反走輸入功率級時(shí),,PFC開始降低工作頻率。以下是PFC段和/或LLC段運(yùn)用熱關(guān)閉及過流,、過壓,、欠壓、過功率,、輸入欠壓等保護(hù)特性,,以及頻率反走、跳周期等提升能效的技巧,。
NCP1910的工作序列如圖3所示,,如果PFC未就緒,LLC就不能啟動(dòng),;一旦PFC就緒,,就會(huì)開始一段20 ms的延遲;延遲結(jié)束后PGout引腳假定為低電平,,LLC可以開始工作,。在撥除交流輸入關(guān)閉電源時(shí)Vbulk降低,,到達(dá)PG信號時(shí),PGout引腳被釋放(開路),;如果Vbulk到達(dá)LLC停止電平,,LLC停止工作;或者如果Vbulk緩慢下降,,如處在輕載狀態(tài),,LLC會(huì)在PGout引腳被釋放5 ms后停止工作。
圖3:NCP1910的工作序列
遠(yuǎn)程導(dǎo)通/關(guān)閉:以專用引腳接收由次級端監(jiān)控芯片由光耦控制的導(dǎo)通/關(guān)閉(on/off)信號,;在導(dǎo)通/關(guān)閉引腳被釋放開路時(shí),,PFC及LLC均停止工作;在導(dǎo)通/關(guān)閉引腳接地時(shí),,PFC開始軟啟動(dòng)→PFCok→20 ms后,,LLC開始軟啟動(dòng)。
圖4:遠(yuǎn)程導(dǎo)通/關(guān)閉
熱關(guān)閉(TSD):過熱保護(hù)功能有助于實(shí)現(xiàn)良好的電源設(shè)計(jì),。當(dāng)結(jié)點(diǎn)溫度超過140℃時(shí),,該功能激活,驅(qū)動(dòng)器變?yōu)榈碗娖?;結(jié)點(diǎn)溫度降到典型值30℃時(shí)器件恢復(fù)工作。
圖5:熱關(guān)閉
頻率反走:可以提高輕載效率,,設(shè)定Vfold以確定功率開始反走的Vfold值,;當(dāng)(VCTRL – VCTRL(min))小于Vfold時(shí),頻率開始反走,;內(nèi)部鉗位限制反走的最大功率,;啟動(dòng)時(shí)無反走。
圖6:頻率反走
VCTRL與功率及頻率的關(guān)系:當(dāng)輸出功率下降時(shí),,VCTRL隨之下降,;當(dāng)?shù)竭_(dá)反走設(shè)定點(diǎn)時(shí),頻率線性下降,;65 kHz版本將最小頻率內(nèi)部設(shè)定為40 kHz,。
圖7:VCTRL與功率及頻率的關(guān)系
PFC段:
1. 線路輸入欠壓(BO)保護(hù):線路輸入欠壓引腳接收部分平均輸入電流,因此,,感測到低線路電壓時(shí),,50 ms定時(shí)器就會(huì)激活。這段消隱時(shí)間用于幫助符合維持要求,。如果線路電壓在50 ms消隱延遲結(jié)束時(shí)仍處于低電平,,輸入欠壓保護(hù)就被觸發(fā),PFC驅(qū)動(dòng)器關(guān)閉,,VCTRL引腳接地,,可使器件在故障消失時(shí)使用軟啟動(dòng),。
圖8:線路輸入欠壓保護(hù)
2. 快速瞬態(tài)響應(yīng)/過壓保護(hù)(OVP):當(dāng)VFB > 105% VPREF時(shí),過壓保護(hù)激活,,驅(qū)動(dòng)器輸出變?yōu)榈碗娖?;?dāng)VFB低于103.2% VPREF時(shí),器件自動(dòng)恢復(fù)工作,。
圖9:PFC-快速瞬態(tài)響應(yīng)/過壓保護(hù)
3. 冗余OVP(閂鎖):專用OVP2引腳用來保護(hù)大電容,;電路中內(nèi)置的20 µs濾波器用來提供更佳的噪聲免疫性。當(dāng)OVP2比較器被觸發(fā)時(shí),,PFC及LLC均關(guān)閉,。PFCok信號假定為低電平時(shí),PGout被釋放開路,,使LLC停止工作,。
圖10:PFC-冗余OVP
4. PFC異常檢測:PFC異常檢測的目的在于,如果PFC沒有正常工作,,那么即使出現(xiàn)高線路電壓,,PFC和LLC均應(yīng)停止工作。例如,,在高線路電壓時(shí)PFC驅(qū)動(dòng)器電阻損毀的情況,。實(shí)現(xiàn)PFC異常檢測保護(hù)的方法是:如果VCTRL保持在最高電平或低于最低電平,如VCTRL引腳異常短路,,且時(shí)間長于1秒(tPFCabnormal),,則PFCok內(nèi)部信號下降,PGout引腳立即釋放開路,,通知系統(tǒng)電源將關(guān)閉,;5 ms后LLC停止工作(tDEL2)。
5. 欠壓保護(hù)(UVP)/反饋環(huán)路異常保護(hù):UVP可以防止在反饋故障條件下啟動(dòng),。當(dāng)VFB < 8% VPREF = 0.2 V時(shí),,UVP激活,器件關(guān)閉,;當(dāng)VFB高于12% VPREF = 0.3 V時(shí),,器件自動(dòng)開始工作。
圖11:PFC–欠壓保護(hù)/反饋環(huán)路異常保護(hù)
6. Power Boost:PFC Power Boost功能的目的是在輸入線路從高線路電壓向低線路電壓劇烈變化(如滿載時(shí)從264 Vac劇降至90 Vac)時(shí),,限制輸出功率,,防止Vbulk將大幅下降,可能使Vout超出穩(wěn)壓范圍,。VLBO是Vac的平均值,。
在下列情況時(shí),VLBO可下拉至2 V(VLBO(PD)):VLBO高于2 V(高線路電壓時(shí)),以及VCTRL處于最大值的時(shí)間長于4 ms(tPFCflag),;Vbulk低于額定輸出的95%時(shí),。PFC Power Boost功能在啟動(dòng)時(shí)被禁止;最長下拉持續(xù)時(shí)間的典型值為5 ms(tLBO(PDlimit)),;在后續(xù)最少70 ms時(shí)間(tLBO(PDblank))內(nèi),,開關(guān)保持在開路狀態(tài)。
LLC段:LLC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為半橋雙電感(LL)加單電容,,其恒定占空比為50%,,利用頻率變化可以提升穩(wěn)壓效果。
1. 一個(gè)引腳用于Fmax,、Fmin及FSS:Rmin決定LLC最小頻率,;Rmin // Rmax決定LLC最大頻率;Rmin // RSS決定LLC啟動(dòng)頻率,;RSS和CSS決定軟啟動(dòng)持續(xù)時(shí)間,。Rt引腳控制LLC
圖12:LLC的控制
2. 完整軟啟動(dòng):SS引腳接地條件是:啟動(dòng),或CS/FF高于VCS1(1 V),,或BO激活,,或tDEL2結(jié)束。僅在VSS低于VSS(RST)時(shí),,SS引腳上的開關(guān)被釋放開路,,執(zhí)行從啟動(dòng)(重啟)開始的完整軟啟動(dòng)。
圖13:完整軟啟動(dòng)
3. 跳周期模式(僅B版本提供):跳周期模式在輕載時(shí)可削減LLC輸出脈沖,,從而避免任何頻率失控(runaway),,改善待機(jī)能耗。
圖14:跳周期模式
為了幫助設(shè)計(jì),,安森美半導(dǎo)體還提供演示電路板(原型板),,其輸入電壓為90v-265v ac,,輸出為12 V/25 A,,5 V/2 A(用于待機(jī))。
圖15:演示電路板
能效測試結(jié)果表明,,該演示電路板的能效等級目標(biāo),,如典型負(fù)載能效及功率因數(shù)、空載及待機(jī)輸入能耗等如表1所示,。
表1:能效等級目標(biāo)
總結(jié)
安森美半導(dǎo)體的ATX電源新產(chǎn)品NCP1910高性能組合控制器在單顆IC中集成了功率因數(shù)校正(PFC)和主電源段控制器,,具有PFC獨(dú)立OVP、PFC動(dòng)態(tài)響應(yīng)增加器,、PFC輕載頻率反走,、寬頻率范圍LLC、帶高壓驅(qū)動(dòng)器及極佳OCP、遠(yuǎn)程導(dǎo)通/關(guān)閉控制及組合管理,,可以為臺(tái)式個(gè)人計(jì)算機(jī),、平板電視提供高能效、高性能的電源設(shè)計(jì),。