应对高能效挑战的安森美半导体创新PFC方案
安森美半导体身为的高性能、高能效硅方案供应商,持续开发创新技术及产品,为市场提供丰富的电源半导体方案,其中就包括强大的PFC产品阵容及后续产品(图1),使电源设计人员能够不断地开发高能效的电源方案。其中,安森美半导体推出的NCP1611 PFC控制器采用创新的电流控制频率反走(Current Controlled Frequency Foldback,CCFF)方法驱动PFC升压级,功率因数接近1,高驱动能力为-500 mA / +800 mA,Vcc范围从9.5 V到35 V,具有非闭锁和过压保护、电压检测、软起动和过流限制等功能。
图1:安森美半导体的PFC产品阵容。
NCP1611有源功率因数校正(PFC)控制器适用于AC-DC适配器、平板电视及照明镇流器及其它中功率离线应用的升压预转换器。该控制器采用正待批专利的CCFF架构。在这种模式下,当电感电流超过可编程值时,电路运行在CrM模式下。当电流低于这个预设水平,电流为零(null)时,NCP1611可线性降低频率至大约20 kHz。CCFF可限度提高额定负载和轻负载效率。特别是,可将待机损耗减少到低限度。该控制器具有一系列强大的保护功能,可妥善处理各种电源工作和故障条件。NCP1611拓展了传统CrM PFC控制器的优势。图2是NCP1611典型应用电路图。
图2:NCP1611典型应用电路图。
作为增强型PFC控制器,NCP1611采用电流控制频率反走CrM模式及跳周期模式,可优化整个负载范围内的效率,实现更好的轻负载效率,以及非常强大的安全特性。
NCP1611独特的关键特性包括:动态响应增强器用于提供快速的线路/负载瞬态响应;宽Vcc范围达35 V,带门电压钳位功能;启动电流典型值为20 ?A,50 ?A(A版本Vcc启动电压10.5 V;B版本为17 V);线路范围检测功能调节及优化环路增益;A版本提供软启动功能,B版本能使用较小Vcc电容,易于启动;谷底导通功能利于提供能效及产生极低电磁干扰(EMI)。
在安全性方面,NCP1611具有Vcc欠压锁定(UVLO)及线路输入欠压(BO)保护;在电感饱和或旁路二极管短路条件下提供过流保护(OCP);输出过压保护(软OVP及快速OVP)及欠压保护(UVP);反馈开路关闭及接地开路故障监控;以及过热关闭。图3所示是NCP1611的稳压工作情况。
图3:NCP1611的稳压工作。
此外,NCP1611还具有其它特性,如快速负载瞬态特性、Vcc为35 V的内部14 V门电压钳位、顺利启动运行软启动(A版)、强大的开路和引脚短路保护、热关断等。NCP1611还可以实现稳压工作,轻易解决开路及短路引脚故障,提升安全性;即使是在接地引脚开路的条件下该元件也可受到保护。
由于具备了上述优异的特性,NCP1611的市场及应用主要涵盖大型平板电视、电脑电源、高功率适配器、LED照明和镇流器,以及功率大于300 W的PFC应用。
CCFF架构详解及与CrM架构比较
如图4所示,安森美半导体开发的CCFF架构的定时器仅控制死区时间,利用定时器对应电流电平调节死区时间,反走频率限制为>20 kHz,具有市场上的性能。
图4:电流控制频率反走(CCFF)架构。
具体讲,CCFF架构具有固定导通时间控制和频率反走特性。在大电流时,电路以临界导电模式工作。小电流时(重负载时接近线路过零点,轻载时位于全部正弦方波),因此,磁芯复位后下一个周期并不会立即启动;相反,定时器开始调节死区时间;电流越小,定时器持续时间(死区时间)越长;定时器持续时间取决于大小;定时器仅控制死区时间(不控制开关周期/关闭时间)。由于死区时间不受电流周期时长变化的影响,因此可以毫不犹豫地进行谷底导通。
图5:演示板能效比较(红色:带跳周期模式的CCFF;绿色:关闭跳周期功能的CCFF;紫色:CrM)
采用CCFF控制架构,的好处莫过于提升能效。采用传统CrM(临界导电模式)/BCM(边界线导电模式),在负载降低时,开关频率上升;负载极低时,控制器可能进入“跳周期模式”,滋生可听噪声。而采用CCFF控制架构,可以在负载降低时降低开关频率,减小功率损耗;在轻载时,控制器可以钳位高于可听噪声频段的较低频率;负载极低时,则采用跳周期模式工作(可以轻易关闭)。因此,这种谷底导通可进一步提升能效,减小电磁干扰。图5比较了基于NCP1611CCFF PFC及传统CrM PFC在不同负载条件下的能效。由图中可见,在10%轻载条件下,基于带跳周期模式的NCP1611的演示板的能效高达近97%(关闭跳周期模式下也达近96%),而基于传统CrM架构的演示板能效仅为近87%,相关近10%。可见NCP1611在提升电源轻载能效方面表现尤为优异。
小结:
NCP1611 PFC控制器采用新颖及正待批专利的控制技术——电流控制频率反走,以临界导电模式/不连续导电模式(DCM)工作,并带有谷底开关,可在宽工作电源范围下提供能效,在宽负载范围下可提供高功率因数及良好的总谐波失真(THD)性能。这种新颖的PFC控制器与传统CrM PFC控制器相比,具有更高的故障处理能力、更佳的瞬态响应,可灵活支持不同偏置情形。值得一提的是,NCP1611 PFC控制器专门进行了优化,尤其适合平板电视、电源适配器、高能效计算机电源及LED驱动器电源等应用。