近年來,在一些對外形因數(shù)有嚴格要求的應用中,,如纖薄型液晶電視或筆記本適配器等,,一種新興的功率因數(shù)校正(PFC)技術-交錯式PFC的使用越來越多,。所謂交錯式PFC,是在原本單個較大功率PFC段的地方并行放置2個功率為其一半的較小功率PFC段來替代,,參見圖1,。這兩個功率較小的PFC段以180°的相移交替工作,總輸入電流(IL(tot))和輸出電流(ID(tot))紋波都將大幅降低,。
圖1:采用兩顆NCP1601 PFC控制器實現(xiàn)的交錯式PFC架構功能框圖
圖1所示的交錯式PFC是一種分立式的解決方案,采用了2顆NCP1601芯片,。NCP1601是一款緊湊的固定頻率DCM或CrM PFC控制器,,采用SOIC-8或PDIP-8封裝,能夠充分利用DCM及CrM這兩種工作模式的優(yōu)勢,,如DCM限制最大開關頻率,,CrM限制升壓二極管、MOSFET及電感的最大電流,,降低成本及提升電路可靠性,。這2顆NCP1601 PFC控制器驅動2個PFC分支,這2個分支同步但獨立工作,,從而保證了DCM工作模式(零電流檢測),,沒有CCM工作模式的風險,且在滿載條件下2個分支都進入CrM工作模式,。
新穎的單芯片2相交錯式PFC控制器
與上述分立式交錯PFC不同,,NCP1631是安森美半導體新推出的一款單芯片2相交錯式PFC控制器,采用SOIC-16封裝,,替代2顆NCP1601,,驅動2個PFC支路,,提供接近1的高功率因數(shù)。這器件可以實現(xiàn)同樣的低高度設計,,適合任何需要PFC的離線式應用尤其是纖薄型如平板電視,,典型應用示意圖如圖2所示。
對于交錯式PFC的2個支路而言,,有兩種方案來工作,。其中一種是主/從方案,即主支路自由工作,,而從支路以180°相移跟隨主支路工作。這種方案的主要挑戰(zhàn)是維持CrM工作(無CCM,,無死區(qū)時間),。另一種方案是交互相位方案,即每個相位都恰當工作在CrM,,且兩個相位交互作用,,設定180°相移。這種方案主要的挑戰(zhàn)是保持恰當?shù)南嘁?,因為雖然維持了CrM工作,,但若其中某個相位的導通時間發(fā)生擾動,則可能會讓180°相移減弱,。NCP1631選擇的是交互相位方案,,兩個支路獨立工作,故兩個相位必然工作在頻率鉗位臨界導電模式(FCCrM),,防止了出現(xiàn)不需要的死區(qū)時間或CCM序列的風險,。此外,NCP1631內置振蕩器充當交錯式時鐘產生器,,管理異相工作,,使兩個相位交互作用,并在包括啟動,、過流保護(OCP)或瞬態(tài)序列等所有條件下持續(xù)180°相移工作,。
圖2:NCP1631典型應用示意圖。
NCP1631滿載時工作在CrM,,輕載時及接近線路過零點時工作在DCM,,從而充當頻率鉗位(由振蕩器提供)的CrM工作器,優(yōu)化完整負載范圍內的能效,。FCCrM還縮小要電磁干擾(EMI)濾波的頻率范圍,,不需要大尺寸電感以限制頻率范圍,支持使用小尺寸電感,,如使用150 µH電感(PQ2620)可用于寬主電源范圍的300 W PFC應用,。此外,,NCP1631還支持頻率反走,降低輕載時的鉗位頻率,,進一步改善輕載能效,。測試顯示,頻率反走技術不僅提升輕載和空載時的能效,。
圖3:NCP1631的引腳輸出及功能描述,。
NCP1631具有高保護等級,提供過流保護,、浪涌電流檢測,、單獨引腳用于過壓保護(OVP)及欠壓保護(UVP)等。例如,,芯片上的CS引腳監(jiān)測負電壓VCS,,由于VCS與兩個交錯式支路消耗的總輸入電流Iin成正比,故表示可監(jiān)測Iin,。其中CS引腳電流ICS在CS引腳上保持0 V電壓,;若ICS超過210 µA,就會觸發(fā)過流保護,。這個CS引腳同樣提供浪涌電流檢測,,當ICS超過14 µA(信號處于高電平)時,就會關閉輸出驅動,,防止損壞MOSFET,。芯片上單獨OVP/UVP引腳用于輸出過壓及欠壓保護。此外,,BO引腳用于輸入欠壓(BO)檢測,,帶50 ms消隱延遲,符合維持時間要求,。NCP1631的輸出引腳功能描述見圖3,。
NCP1631的另外一項重要特點是能夠提供“pfcOK”信號,能用于啟用/關閉下行轉換器,,簡化下行轉換器設計,。在PFC段正常工作時,pfcOK信號是高電平(5 V),,能夠用作5 V電源(電流能力5 mA),。否則,在任何時候檢測到重要故障(如欠壓鎖定條件,、熱關閉,、欠壓保護、輸入欠壓,、閂鎖/關閉,、Rt引腳開路等)而關閉,,或在PFC段獲得額定大電壓前的啟動相位期間,pfcOK信號處于低電平,。此外,,NCP1631還具備前饋功能,從而改善環(huán)路補償,。
能效測試結果及影響因素
對于基于NCP1631的300 W,、寬電壓范圍PFC預轉換器演示板而言,輸出電壓通常為390 V,,滿載時輸出電流為770 mA,,20%負載時則為154 mA。這兩類輸出電流一般以相同工具測量,,在10%及20%這樣的輕載條件下測量必須特別細心,,因為1 mA的誤差就可能導致較大的能效差別。例如,,20%負載時,輸入功率為63 W,,在154 mA正確值的基礎上,,若產生1 mA的誤差,如測得為153 mA或155 mA,,相應的能效就分別為:100 x 390 x 0.153/63 = 94.7%,,及100 x 390 x 0.155/63 = 95.9%,能效相差高達1.2%,。
圖4:對于基于NCP1631的300 W,、寬電壓范圍PFC預轉換器演示板能效測試結果
測試顯示,,對于基于NCP1631的300 W,、寬電壓范圍PFC預轉換器演示板具有極高能效。在20%至100%負載范圍下,,115 Vac線路電壓時能效高于95.8%,,230 Vac線路電壓時能效高于97.0%。
總結:
交錯式PFC支持使用較小的元器件,,能夠改善熱性能,、增大臨界導電模式(CrM)功率范圍并減小電流紋波,非常適合對外形因數(shù)要求極為嚴格的纖薄應用,,如最新的超薄液晶電視等,。安森美半導體在此前以2顆較小NCP1601實現(xiàn)分立式交錯式PFC的基礎上,新推出了新穎的2相式頻率鉗位臨界導電模式(FCCrM) PFC控制器NCP1631,,以單顆IC集成構建強固及緊湊的2相交錯式PFC段所需的全部特性,,且外部元件極少。FCCrM及NCP1631提供的頻率反走功能支持使用小電感,,測試顯示,,在完整負載范圍內均提供高能效。
參考資料:
1,、《交錯式功率因數(shù)校正》,,www.onsemi.cn/pub_link/Collateral/iPFC%20-%20Interleaved%20Power%20Factor%20Controller%20-%20bilingual.rev0.pdf,安森美半導體
2,、《交錯式功率因數(shù)校正段特性》,,www.onsemi.com/pub/Collateral/AND8355-D.PDF,安森美半導體
3,、NCP1631數(shù)據(jù)手冊,,www.onsemi.cn/pub/Collateral/NCP1631-D.PDF,安森美半導體