交錯式PFC技術趨勢及新穎的單芯片交錯式PFC控制器的應用

交錯式PFC技術趨勢及新穎的單芯片交錯式PFC控制器的應用

　近年來，在一些對外形因數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控制器實現的交錯式PFC架構功能框圖

　　雖然交錯式PFC使用相對較多的元器件，但卻擁有很多優勢。例如，150 W的PFC比300 W PFC更易于設計、便于采取模塊化途徑、散熱更好及可以擴展臨界導電模式(CrM)應用范圍等。另外，兩個不連續導電模式(DCM) PFC看上去象一個連續導電模式(CCM) PFC，簡化了電磁干擾(EMI)濾波設計，減小輸出均方根(RMS)電流，從而減少損耗及發熱，提高設計的可靠性。尤為值得稱道的是，交錯式PFC支持使用尺寸更小的元器件，從而利于纖薄設計，增強產品賣點。

　　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。這器件可以實現同樣的低高度設計，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。

圖2：NCP1631典型應用示意圖

　　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是維持CrM工作(無CCM，無死區時間)。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是保持恰當的相移，因為雖然維持了CrM工作，但若其中某個相位的導通時間發生擾動，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)，防止了出現不需要的死區時間或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)或瞬態序列等所有條件下持續180°相移工作。

　　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。

　　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。

圖3：NCP1631的引腳輸出及功能描述

　　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%。

　　值得注意的是，PFC能效并不只取決于控制模式，電感、MOSFET、二極管、EMI濾波器等都會影響能效。例如，采用200 μH PQ2625電感與采用150 μH PQ2620電感時，約輸出負載高于約50%，則能效差別顯著；相當，在輕載條件下，由于頻率反走功能的緣故，能效相差極小。

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。